МІНІСТЕРСТВО ВУГІЛЬНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ УКРАЇНИ

Державний Макіївський науково-дослідний

інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості

(МакНДІ)

ЄВДОКІМОВА Віра Петрівна

УДК 622.031.55

ОБҐРУНТУВАННЯ І РОЗРОБКА СПОСОБУ ВИЗНАЧЕННЯ

ЕФЕКТИВНОСТІ ЗАХИСНОЇ ДІЇ

ВИПЕРЕДЖАЮЧОЇ НАДРОБКИ ВИКИДОНЕБЕЗПЕЧНИХ ПЛАСТІВ

Спеціальність 05.26.01 – “Охорона праці”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка - 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державному Макіївському науково-дослідному інституті з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства вугільної промисловості України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Коптиков Віктор Павлович, Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості, заступник директора з наукової роботи.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук
Колесов Орест Андрійович, ДП “Донецький експертно-технічний центр” Державного комітету України з промислової безпеки, охорони праці та гірничого нагляду; начальник відділу нормативних документів. (м. Донецьк)

кандидат технічних наук
Канін Володимир Олексійович, Український Державний науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки та маркшейдерської справи НАН України; завідувач відділу захисних пластів і управління стану гірського масиву.
(м. Донецьк)

Захист відбудеться 17.01.2008_ р. о __13__ годині
на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.12.834.01 у Державному Макіївському науково-дослідному інституті з безпеки робіт у гірничій промисловості
за адресою: 86108, м.Макіївка Донецької обл., вул. Лихачова, 60.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Державного Макіївського
науково-дослідного інституту з безпеки робіт у гірничій промисловості
за адресою: 86108, м. Макіївка Донецької обл., вул. Лихачова, 60.

Автореферат розісланий 15.12. 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 12.834.01, к.т.н., с.н.с. В.Р. Алаб’єв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Найбільш ефективним регіональним способом запо-бі-гання раптовим викидам вугілля та газу й іншим видам газодинамічних явищ (ГДЯ) є випереджаюча розробка захисних пластів. Найбільше поширення при цьому одержала випереджаюча надробка викидонебезпечних пластів, тому що при малих міжпластях випереджаюча підробка призводить до порушення будови пластів і бічних порід, що ускладнює їх наступне виймання, а найчастіше робить його неможливою. Крім того, під час розробки крутих і крутопохилих пластів з випереджаючою підробкою на горизонті, що розробляється, залишається незахищеною нижня частина поверху, особливо небезпечна за проявленнями викидів.

На цей час порядок побудови захищених зон у разі випереджаючої розробки пластів регламентується "СОУ .1.00174088.011-2005 Правила ведення гірничих робіт на пластах, схильних до газодинамічних явищ" (2005 р.), розділ якого щодо захисного відпрацювання з незначними змінами взятий з “Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа” (Москва, 1989). Науковою основою останнього документа стали результати досліджень, виконаних ВНІМІ, ІГС ім. О.О. Скочинського, МакНДІ та іншими інститутами в 1960-80-і роки.

З того часу змінилися умови розробки вугільних пластів. Зросла кількість викидонебезпечних пластів, збільшилася глибина розробки до 1000-1400 м, вплив якої на ефективність відпрацювання захисних пластів діючим СОУ 10.1.00174088.011-2005 враховується недостатньо коректно. Розрахункова даль-ність захисної дії випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів змен-шується зі збільшенням глибини неадекватно даним, що спостерігаються.

Однією з основних причин цієї невідповідності є те, що не враховуються такі важливі фактори, як характеристики та властивості надроблюваного пласта, породних шарів міжпластя. Тому обґрунтування і розробка способу визначення ефективності захисної дії випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів з урахуванням характеристик і властивостей єдиної фізичної системи, що включає захисний і надроблюваний пласти, породи міжпластя, є актуальним науково-технічним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацію виконано за результатами досліджень, проведених у рамках галузевої роботи за замовленням Мінвуглепрому України № 1719818000М-Ц7 “Розробити спосіб визначення ефективності захисної дії випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів”, № ДР 0107U000980. У зазначеній роботі автор брав участь як відповідальний виконавець.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи – установлення закономірностей формування захисної дії випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів і розроблення на цій основі способу визначення її ефективності.

Поставлена мета визначила необхідність рішення таких завдань:–

установити показник, що найповніше відбиває вплив порід міжпластя на формування захисної дії випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів; розробити фізичну модель розвантаження з погляду процесу деформування шарів, що складають міжпластя, і створити на її основі кореляційно-регресійну модель розрахунку прийнятого показника;

– виявити фактори, що формують захисну дію випереджаючої надробки; оцінити внесок кожного елемента фізичної системи “захисний пласт – міжпластя – надроблюваний пласт” у захисний ефект, що створюється;

– розробити спосіб визначення ефективності випереджаючої надробки як результат аналізу захисту, створюваного для викидонебезпечних пластів.

Об'єкт дослідження - захисна дія випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів.

Предмет дослідження - фактори, що впливають на ефективність захисної дії випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів.

Методи дослідження. У роботі застосовано комплексний метод досліджень, що включає формування бази даних про умови надробки викидонебезпечних пластів, характеристиках захисного й надроблюваного пластів, породах міжпластя; аналіз й узагальнення даних методами математичної статистики (множинний кореляційно-регресійний аналіз; компонентний аналіз і класифікація в схемі дискримінантного аналізу); проведення гірничо-експериментальних робіт за стандартними методиками.

Ідея роботи полягає в науковому узагальненні прояву захисної дії єдиної фізичної системи, що складається із захисного й надроблюваного пластів, порід міжпластя, і встановленні на цій основі стохастичних закономірностей впливу її характеристик і властивостей на ефективність захисної дії випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів.

Наукова новизна отриманих результатів:

Наукові положення:

1. Вплив порід міжпластя на формування захисної дії випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів характеризується інтегральним показником - величиною відносної деформації шарів міжпластя на рівні підошви надроблюваного пласта, значення якої розраховуються за вперше отриманою багатофакторною кореляційно-регресійною залежністю, що базується на розробленій фізичній моделі деформування міжпластя.

2. Захисна дія випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів формується комплексом факторів, які відбивають характеристики та властивості єдиної фізичной системи “захисний пласт – міжпластя – надроблюваний пласт” і дозволяють розділити викидонебезпечні пласти за ступенем їх захисту на три категорії “I – ефективно захищені”, “II – неефективно захищені”, “III - незахищені” на основі вперше одержаної багатофакторної статистичної моделі.

3. Ефективність як категорія захисту, створюваного випереджаючою надробкою, визначається статистично за допомогою класифікаційних дискримінантних функцій або на основі ймовірнісного класифікатора, що має як аналітичне, так і графічне рішення.

4. У разі випереджаючої надробки для потужності міжпластя менше 22 м імовірність відсутності викиду вугілля та газу на підзахисному викидонебезпечному пласті складає не менше 0,9973 (3) і є критерієм його вірогідного ефективного захисту.

Наукова новизна:

1. Розроблена фізична модель деформування шарів міжпластя вперше спирається не тільки на міцність і товщину цих шарів, але враховує ефект “екрана”, який створено вищележачими міцнішими породами у разі деформування менш міцних нижчележачих шарів, за рахунок уведення нового параметра – умовної потужності однорідного деформованого шару.

2. На основі комплексу факторів, що характеризують функціонування фізичної системи “захисний пласт – міжпластя – надроблюваний пласт”, вперше розроблено багатофакторну статистичну модель поділу надроблених викидонебезпечних пластів на три зони відповідно до категорій захисту у разі випереджаючої надробки. Вперше встановлено, що надроблюваний пласт бере участь у формуванні захисної дії і вищевказана система працює як єдине ціле.

3. Вперше на основі статистичної концепції аналізу факторів впливу отримано ймовірнісну оцінку захисної дії випереджаючої надробки й розроблено статистичний спосіб визначення ефективності захисту, створюваного для викидонебезпечних пластів.

4. Вперше одержано ймовірнісну оцінку граничного значення потужності міжпластя для практично вірогідного ефективного захисту викидонебезпечних пластів, створюваного випереджаючою надробкою.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується і підтверджується:

? прийнятими фізичними передумовами, що базуються на фундаментальних законах гірничої геомеханіки;

? виконанням вимог коректного застосування статистичних методів досліджень, що спираються на основні закони теорії ймовірностей і математичної статистики;

? достатнім обсягом даних, прийнятих до статистичної обробки: 193 випадки для розрахунку відносних деформацій надроблюваного масиву порід і 181 випадок для побудови класифікатора ефективності захисної дії;

? значущими величинами статистик, що визначають вірогідності встановлених залежностей (множинна лінійна регресія для відносної деформації характеризується множинним коефіцієнтом кореляції 0,64 з надійністю не менше 0,95; частка дисперсії, що пояснюється добутими головними компонентами багатофакторного простору, становить 82%; ефективність класифікатора за -статистикою становить 0,82);

? відповідністю розрахункової категорії захисту фактичній, підтвердженою результатами гірничо-експериментальних робіт, а також досвідом гірничих робіт на надроблених ділянках пластів.

Наукове значення роботи полягає у розвитку теорії захисної дії випереджаючої надробки: більш повному й об’єктивному врахуванні захисних функцій єдиної фізичної системи.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробленні способу визначення ефективності захисної дії, який у порівнянні з нині діючим дозволяє:

? підвищити надійність визначення ефективності захисної надробки;

? розширити обсяг застосування захисної надробки на 10,3% від кількості неефективно захищених пластів;

? підвищити точність визначення категорій захисту на 33,2%.

Результати виконаних досліджень використано під час розроблення “Методичних рекомендацій з визначення ефективності захисної дії випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів”.

Особистий внесок здобувача полягає в обгрунтуванні актуальності наукової та практичної задачі визначення ефективності захисної дії випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів; формулюванні ідеї, мети й задач досліджень; формуванні бази даних про характеристики та властивості захисного й надроблюваного пластів, порід міжпластя; виборі методів математичної статистики для їх обробки, розробленні власного, а також кваліфікованому використанні наявного програмного забезпечення щодо застосування цих методів; одержанні статистичних закономірностей, на основі яких розроблено методику розрахунку відносних деформацій надроблюваного шаруватого масиву гірських порід і в остаточному підсумку - спосіб визначення ефективності захисної дії випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації викладені та одержали схвалення на Іnternatіonal Symposіum on Geothechnologіcal Іssues of Underground Space Use for Envіronmentally Protected World (Dnіpropetrovsk, Ukraіne, June 26-29, 2001); Міжнародній науково-практичній конференції "Технологія й устаткування для видобутку вугілля підземним способом" (Донецьк, 4 вересня 2002 р.); Міжнародній науково-практичній конференції "Старопромислові регіони Західної і Східної Європи в умовах интеграції" (Донецьк, 26-29 листопада 2003 р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Гірнича геологія, геомеханіка і маркшейдерія", присвяченій 75-річчю інституту УкрНДМІ НАН України (Донецьк, 11-15 жовтня 2004 р.); Вченій раді
МакНДІ (Макіївка, 22 червня 2007 р.).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковано в монографії, 11 наукових роботах, з них п’ять – у виданнях, що входять до переліку ВАК України, чотири – у збірниках наукових доповідей Міжнародних науково-практичних конференцій, два – у патентах України.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 140 найменувань і шести додатків. Вона викладена на 298 сторінках машинописного тексту, у тому числі має 150 сторінок основної частини, містить 60  малюнків і 48 таблиць (з них 34 таблиці та 46 рисунків займають 54 окремі сторінки).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі дисертації дано огляд робіт, присвячених питанням захисної надробки викидонебезпечних пластів, виконано аналіз їх змісту.

Починаючи із середини минулого століття, інститутами ІГС ім. О.О. Скочинського, ВНДМІ, МакНДІ, ДНТУ та інш. велися інтенсивні наукові дослідження в галузі гірничої геомеханіки, включаючи захисну розробку.

В галузі захисної надробки (так само як і підробки) дослідження проводилися в таких напрямках:

? виявлення механізму захисної дії та встановлення критеріїв захищеності;

? установлення факторів, що впливають на захисну дію випереджаючої розробки;

? визначення межі захищених зон як за дальністю впливу захисту, так і відносно межі захисної очисної виробки.

Установлено, що усунення викидонебезпеки під час захисної розробки полягає в зниженні напруженого стану над- і підробленого масиву, його дегазації, зміненні структури вугільного пласта.

Велику кількість робіт присвячено дослідженню факторів, що впливають на ефективність захисної надробки. Установлені залежності цього впливу від товщини захисного пласта, ширини виробленого простору, потужності порід міжпластя, кута падіння порід, глибини розробки, фактора часу та інших факторів.

Проведені теоретичні, гірничо-експериментальні дослідження та дослідження методами моделювання дозволили розробити теорію захисної дії. Велика заслуга в цьому належить І.М. Пєтухову, А.М. Лінькову, В.С. Сидорову, І.А. Новічіхіну, В.І. Барановському, А.Т. Айруні, Г.Д. Лідіну, Л.М. Карагодіну, П.Є. Волошину, Д.В. Дорохову та іншим вченим.

На основі цих досліджень було розроблено спосіб визначення параметрів випереджаючої розробки захисних пластів, побудови межі захищених зон, що увійшов до "СОУ .1.00174088.011-2005". Як відзначено у вступі, на сьогодні він не повною мірою відповідає практиці ведення гірничих робіт в умовах захисної надробки. Це відноситься до неадекватного зменшення дальності захисної дії зі збільшенням глибини розробки, а також зі збільшенням ширини виробленого простору в разі виймання тонких захисних пластів і пластів середньої товщини.

Зазначені недоліки пояснюються такими причинами:

? вплив порід міжпластя на захисну дію охарактеризовано тільки сумарною відносною потужністю пластів пісковику без урахування їх міцнісних властивостей і розташування відносно захисного пласта, без урахування інших видів порід, що залягають у міжпластях;

? не враховано характеристики та властивості надроблюваного пласта, що впливають на формування захисної дії.

Недоліки нормативного способу визначення ефективності захисної дії вимагають його вдосконалювання. Автором дисертації запропоновано спосіб визначення ефективності захисної дії на статистичній концепції багатофакторного аналізу. Мета, задачі та методи розробленого способу наведено в загальній характеристиці роботи.

В другому розділі дисертації подано результати досліджень деформування надроблюваного масиву гірських порід. Прийнято вплив порід міжпластя на ефективність захисної дії випереджаючої надробки охарактеризувати величиною їх відносної деформації на рівні підошви надроблюваного пласта як об'єктивного інтегрального показника, що характеризує напружено-деформований стан масиву порід. Для виявлення закономірнос-тей поводження досліджуваної величини залежно від гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов розробки пласта у разі його надробки очисними виробками була підготовлена база даних, що включає 213 випадків виміряних деформацій.

Для формування бази було розроблено спеціальну систему керування базою даних щодо введення, перегляду, зберігання та коригування вихідної інформації. Крім того, вона містила в собі програму, що дозволяє за введеними характеристиками міжпластя робити розрахунок відносних деформацій надроблюваного шаруватого масиву порід відповідно до розробленої методики.

У результаті аналізу бази даних методами математичної статистики (множинний кореляційно-регресійний аналіз з покроковим додаванням впливальних факторів, метод найменших квадратів, дисперсійний аналіз значущості одержуваної лінійної багатофакторної регресійної моделі) встановлено комплекс факторів, що визначають величину деформації надробленого масиву з досить високим значущим коефіцієнтом детермінації R2 .408. Цими факторами є: ширина виробленого простору на захисному пласті а, м; відстань від розглянутого шару порід до підошви захисного пласта h, м (для задоволення вимог випадковості впливальних факторів у кінцевому рівнянні остання величина h береться в одиницях ширини виробленого простору h / а, інакше фактор а, як техногенний за природою і штучно обмежений зверху величиною 250 м, не вписується в схему регресійного аналізу); коефіцієнт міцності породних шарів міжпластя  fкут падіння порід , градус; глибина розробки захисного пласта H, м.

Установлено кореляційну залежність величини відносної деформації надробленого однорідного масиву порід від вищевказаних факторів:

103 . (1)

Кореляційний зв'язок високо значущий: множинну лінійну регресію для досліджуваної випадкової величини визначено з коефіцієнтом кореляції R = 0,64, який з надійністю не менше 0,95 значуще відмінний від нуля (за критерієм згоди Фішера гіпотеза про рівність нулю множинного коефіцієнта кореляції не приймається відповідно до спостережуваного Fнабл і критичного Fкр значеннями статистики Фішера: Fнабл(4,188) ,386, а Fкр(4;188;0,05) ,3719 й, таким чином,
FнаблFкр).

Для надроблюваного шаруватого масиву порід необхідно враховувати порядок розташування шарів з різними міцнісними властивостями відносно захисного пласта (рис. ).

Рис. . Деформування надробленого масиву порід,
що складається з чотирьох шарів

Розташовані вище шари порід з більш високими коефіцієнтами міцності перешкоджають розвитку деформацій у шарах, що лежать нижче (екранують їх). З іншого боку, такі вищезалеглі шари порід з більш високими коефіцієнтами міцності, але невеликої товщини (т.зв. тонкошарові породи товщиною менше 5 м) не в змозі екранувати розвиток деформації шарів, що залягають нижче. Шляхом узагальнення вищевикладеного, розроблено три схеми розрахунку деформацій надробленого шаруватого масиву порід (табл. ).

Таблиця 

Схеми розрахунку деформацій надробленого шаруватого масиву порід

№ схеми | Співвідношення коефіцієнтів

міцності верхнього fі і нижнього fі+1 шарів порід | Потужність верхнього шару порід mi | Висновок про характеристику

шарів порід

1 | fi+1 > fi | Будь-яка | Шари вважають самостійними

2 | fi+1fi | mi 5 м | Шари поєднують, визначаючи потужність і міцність об'єднаних шарів відповідно до
формул:

3 | fi+1fi | mi5 м | Шари вважають самостійними

Формула (1) може бути використана для розрахунку деформацій шаруватого масиву, якщо ввести поняття умовної відстані, яка являє собою відстань від покрівлі шару, що розглядається, до захисного пласта, еквівалентну відстані з коефіцієнтами міцності даного шару порід.

З урахуванням вищевикладеного деформації надробленого шаруватого масиву порід обчислюють у такому порядку:

1. здійснюють аналіз товщини та міцності шарів міжпластя; у разі другої схеми деформації сусідніх шарів їх поєднують, обчислюючи характеристики об'єднаних шарів за наведеними у табл. формулами;

2. вважаючи об'єднані шари самостійними, знову аналізують за п.1 до приведення пластів міжпластя до першої чи третьої схеми деформації;

3. обчислюють деформацію першого (у напрямку від захисного пласта) шару порід за формулою (1) при h1 m1 і f1; величини a, і H залишаються постійними, при цьому a   м;

4. для кожного наступного шару знаходять умовну відстань від покрівлі цього пласта до захисного пласта за формулою:

(2)

(величина умовної відстані у всіх випадках ненегативна );

5. обчислюють розрахункову відстань від розглянутого шару (по підошві) до захисного пласта за формулою:

; (3)

6. розраховують деформацію даного шару порід за формулою:

; (4)

7. розрахунок завершують на рівні підошви підзахисного пласта, або шару порід, на якому величина відносної деформації дорівнює нулю (з точністю до 0,0110-3).

Величина відносної деформації служить для оцінки впливу порід міжпластя на ефективність захисної дії випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів.

У третьому розділі виконано дослідження факторів, що впливають на ефективність захисної дії випереджаючої надробки, і встановлення залежностей, що відбивають цей вплив.

Було сформовано база даних з 181 об'єкта, що включає гірничо-геологічні, гірничотехнічні і геомеханічні умови, характеристики і властивості захисного і надроблюваного пластів, величини відносних деформацій порід надроблюваних міжпласть, часові характеристики, наявність або відсутність викидів під час над-робки і т.ін.

Кожен об'єкт був охарактеризований 32 ознаками якісного й кількісного характеру. Дослідження з позицій вимог компонентного багатофакторного аналізу, неформального логічного аналізу і попередніх точкових оцінок 32-х факторів бази даних дозволило залишити з них лише 12:

надроблений пласт–

глибина (H) місця викиду, а за відсутності викидів – максимальна
глибина розробки на надробленій ділянці, м;–

виймана товщина (mн), м;
– кількість пачок (n);–

газоносність ( X ), м3/т с. б. м.;–

вихід летких речовин (Vdaf), відсоток;–

вміст золи (Ac), відсоток;–

вміст вологи (W), відсоток; –

строк, що пройшов із часу надробки (Т ), місяць;

захисний пласт–

ефективна товщина (mэ), м;–

ширина виробки за падінням / простяганням (a), м;–

кут падіння (), градус;

міжпластя–

величина відносної деформації надробленого масиву 103.

Аналіз умов забезпечення захисної дії випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів методами математичної статистики показав, що її ефективність визначається факторами, які характеризують фізичну систему, котра містить у собі захисний пласт, міжпластя та надроблюваний пласт. Найбільший вплив здійснюють породи міжпластя в комплексі з гірничо-геологічними і гірничотехніч-ними характеристиками захисного пласта (див. розд. ). Цей вплив охарактеризований величиною відносної деформації () порід міжпластя на рівні підошви надроблюваного пласта.

Компонентний аналіз вихідних корелювальних факторів дозволив розробити статистичну модель, яка спирається на двовимірний базис перших головних компонентів. Простір двох головних компонентів охоплює 82% дисперсії вихідних точок і представляє чіткий їх поділ на три області (рис. ): ефективного захисту (білі точки), неефективного захисту (проміжна область змішаних точок) і відсутності захисту (чорні точки).

Рис. 2. Поділ багатомірних точок (об'єктів) у двомірному просторі перших головних компонентів

Математична багатофакторна модель у просторі двох головних компонентів виглядає так:

(5)

де - відносна деформація надроблюваного міжпластя, під час розрахунків приймають 103; - кут залягання порід, градус; mн – виймана товщина надроблюваного пласта, м; n - кількість пачок, що складають надроблюваний пласт; mэ - ефективна товщина захисного пласта, м; K - показник, що враховує вплив виходу летких речовин надроблюваного пласта на ефективність захисної дії, який визначають за формулою:

, (6)

де Vdaf - вихід летких речовин, відсоток; 19,35% - середнє значення виходу летких речовин викидонебезпечних пластів.

Ефективну товщину захисного пласта визначають за формулою:

(7)

де mв – виймана товщина захисного пласта, м; kу - коефіцієнт обліку способу керування гірським тиском (згідно СОУ 10.1.00174088.011-2005).

Для ймовірнісної оцінки належності надробленого пласта до тієї чи іншої області захисту й для оцінки ступеня його захищеності виконано процедуру класифікації в схемі дискримінантного аналізу. За дискримінантні змінні було взято головні компоненти {F1,2} розробленої статистичної моделі. Отримано функції {Ф0, Ф1}, що класифікують належність пласта до того чи іншого класу (області) захисту:

(8)

де Ф0 - функція, що визначає належність до області ефективного захисту, Ф1 - функція області відсутності захисту.

Оскільки області ефективного захисту (І) і його відсутності (ІІІ) перекри-ваються, утворючи проміжну область т.зв. неефективного захисту (ІІ) (див. рис. 2, 3), то на основі узагальненої міри відстані Махаланобіса й обліку апріорних імовірностей об'єктів, що спостерігаються, було використано формулу Бейєса для розрахунку апостеріорних імовірностей спостережуваних ступенів захисту. Область неефективного захисту виділено інтервалом [0,15; 0,61) апостеріорних імовірностей прояву викидів вугілля, породи та газу.

Таким чином, ефективність захисної дії (ступінь захищеності розроблюваного пласта) випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів використовується або у вигляді графіка шляхом обчислення головних компонентів за формулою (5) і визначення місця розташування точки з координатами {F1, F2} щодо виділених зон (див. рис. ), або у вигляді аналітичного рішення за ймовірнісними оцінками, що одержуються вручну або програмним способом на ПК.

Рис. 3. Статистична двокомпонентна модель визначення эффективності захисної дії надробки викидонебезпечних пластів

Крім того, виконані дослідження розподілу ефективності захисної дії за величиною міжпластя. З надійністю 0,9973 (3) установлено, що максимальна потуж-ність міжпластя, за якої забезпечується ефективний захист у разі ви-п-ереджаючої надробки викидонебезпечних пластів у всіх випадках, становить 22 м.

У четвертому розділі представлено умови та результати проведення гірничо-експериментальних досліджень, а також розроблено спосіб визначення ефектив-ності захисної дії випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів.

Гірничо-експериментальні дослідження проводилися на ОП "Шахта ім. О.Ф. Засядька": пласт k8 під час надробки його пластом l1 і на ненадроблених ділянках. Відстань між пластами 31,7-43,6 м, у місці проведення досліджень - 42,6 м. Глибина залягання захисного пласта - 920 м, кут падіння порід - 100. Виймана товщина захисного пласта - 1,8 м, керування покрівлею здійснювалося повним обваленням. Міжпластя представлене, в основному, пісковиками (46%), пісковими (29%) і глинистими (16%) сланцями.

Задача досліджень полягала у встановленні відмінностей газодинамічного та напруженого станів і властивостей пласта k8 на надробленому (10-й східний конвеєрний штрек) і ненадробленому (5-й допоміжний уклон) пластом l1 ділянках.

Гірничо-експериментальні роботи полягали у вимірюванні:

? початкової швидкості газовиділення зі шпурів;

? виходу бурового дрібняку під час буріння шпурів;

? десорбції вугілля;

? тиску газу у вугільному пласті.

У разі проведення гірничо-експериментальних робіт у вибоях борозним способом відбиралися проби вугілля, за якими проводився його теханаліз, визначалися коефіцієнт міцності вугілля і природна газоносність пласта за методиками МакНДІ. У результаті проведення досліджень установлено, що надроблені пластом ділянки пласта k8 у порівнянні з ненадробленими характеризуються такими даними:

? зниженням початкової швидкості газовиділення на відповідних інтервалах вимірювань у 3-5 разів (до абсолютних значень 0-0,25 л/хв.);

? зниженням виходу штибу на відповідних інтервалах буріння, крім метрового, у 1,2-2,3 разу;

? зниженням десорбції вугілля при відповідних часових інтервалах вимірювань у 2,05-2,44 разу;

? зниженням надлишкового тиску газу в пласті до нуля;

? підвищенням коефіцієнта міцності в 1,21 разу;

? підвищенням об'єму мікропор у 1,14 разу і загальної пористості вугілля в 1,19 разу;

? зниженням природної газоносності пласта в 2,48 разу.

Таким чином, проведені дослідження показали, що в результаті надробки пласта k8 пластом l1 зменшилися напружений і газодинамічний стан пласта k8, сталася його дегазація, природна газоносність знизилася до 4,5 м3/т. Це дає підставу вважати надробку в даних умовах ефективною, що підтверджується практикою ведення гірничих робіт на пласті k8 ОП "Шахта ім. О.Ф.Засядька" без прогнозу та противикидних заходів.

Відповідно до діючого СОУ .1.00174088.011-2005 дальність захисної дії від пласта l1 у підошву за таких умов складає 38,2 м, показник захисної дії k ,92, тобто захист за розрахунком є неефективним.

Відповідно до розробленого способу визначення ефективності захисної дії випереджаючої надробки головні компоненти складають: F1 ,82; F2 ,54; тобто згідно з рис. захист у таких умовах ефективний.

Таким чином, гірничо-експериментальні роботи підтвердили правильність розрахунку ефективності захисної дії на основі результатів виконаних досліджень.

Розроблений спосіб визначення ефективності захисної дії випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів включає перелік необхідної вихідної інформації для розрахунку ефективності: гірничо-геологічні та гірничотехнічні умови розробки захисного пласта, товщину і коефіцієнт міцності породних шарів міжпластя, характеристики й властивості надроблюваного пласта; зміст і послідовність виконання способу з приведенням прикладу.

Для оцінки розробленого способу виконано порівняльний аналіз результатів визначення ефективності захисної дії запропонованого і нормативного способів на основі сформованих базової й контрольної вибірок, що включають 217 об'єктів.

Аналіз показав, що розроблений спосіб визначення ефективності захисної дії випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів у порівнянні з нормативним характеризується такими перевагами:

? більшою об'єктивністю: підвищує точність визначення категорії захисту на 33,2%, виключає помилки I роду;

? розширенням обсягу ефективності захисту на 6,6% від загальної кількості захищених пластів і на 10,3% від кількості неефективно захищених пластів;

? універсальністю з погляду можливості застосування для рішення широкого кола завдань щодо захисної розробки;

? можливістю диференціації за геомеханічними, гірничо-геологічними, гірничотехнічними умовами розробки та інших критеріїв.

Упровадження розробленого способу у виробництво дозволить одержати соціальний і економічний ефект.

Соціальний ефект полягає в підвищенні безпеки ведення гірничих робіт внаслідок об'єктивнішого визначення ефективності захисної надробки за рахунок максимального врахування впливальних факторів і більш коректного обліку впливу порід міжпластя на захисну дію надробки, крім помилок I роду.

Економічний ефект полягає в розширенні обсягу застосування ефективної захисної надробки. При цьому буде виключено проведення прогнозу викидонебезпеки або оцінки та контролю ефективності захисної дії. Розрахунковий економічний ефект складає 131 тис. грн. на рік у вугільній галузі України.

ВИСНОВКИ

У дисертації дано нове рішення актуального науково-технічного завдання щодо обґрунтування і розробки способу визначення ефективності захисної дії випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів з урахуванням характеристик і властивостей єдиної фізичної системи, що включає захисний і надроблюваний пласти, породи міжпластя.

Основні наукові та практичні результати роботи полягають у такому.

1. Захисна дія випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів визначається характеристиками захисного і надроблюваного пластів, товщиною та міцністю породних шарів міжпластя, їх взаємним розташуванням.

2. Вплив порід міжпластя на ефективність захисної дії характеризується інтегральним показником - величиною відносної деформації порід міжпластя на рівні підошви надроблюваного пласта.

3. Величина відносної деформації надроблюваного однорідного масиву порід визначається потужністю міжпластя і коефіцієнтом міцності порід, глибиною залягання, кутом падіння захисного пласта, шириною виробленого простору і виражається кореляційною залежністю.

4. Під час розрахунку деформацій надроблюваного шаруватого масиву порід необхідно враховувати взаємне розташування породних шарів залежно від їх товщини та міцності за наступними схемами деформацій:

а) міцність нижнього шару більша від міцності верхнього шару  fi+1 fi  при будь-якій товщині шарів;

б) міцність нижнього шару менша від міцності верхнього шару fi+1 fi , але верхній шар відноситься до тонкошаруватих ( mi 5 м); у цьому разі такі шари поєднують в один з визначенням їх сумарної товщини та середньозваженого коефіцієнта міцності;

в) міцність нижнього шару менша від міцності верхнього шару fi+1 fi ,
товщина верхнього шару не менше 5 м.

5. Методика розрахунку надроблюваного шаруватого масиву порід:

? аналіз товщини та міцності породних шарів міжпластя; за наявності в міжпласті шарів, що відповідають схемі деформування б), - вони об'єднуються до приведення всіх шарів міжпластя до схем деформування а) чи в);

? послідовний пошаровий (у напрямку від захисного пласта) розрахунок деформації з визначенням для кожного пласта, за винятком першого, умовної відстані від покрівлі розглянутого пласта до підошви захисного пласта, еквівалентного за величиною деформації потужності шару з коефіцієнтом міцності розглянутого шару.

6. Розроблена методом головних компонентів модель дозволяє описати простір, який включає шість вихідних корелювальних факторів: відносну деформацію порід міжпластя, показник впливу виходу летких речовин, кут падіння порід, кількість пачок надроблюваного пласта і його вийману товщину, ефективну товщину захисного пласта, – двома незалежними головними компонентами. Простір двох головних компонентів охоплює 82% дисперсії точок і представляє чіткий поділ цих точок на три області: відсутності захисту, неефективності захисту і захищену. Крім того, ефективність захисної надробки може бути визначена за дискримінантними функціями, що класифікують, або ймовірнісним класифікатором, що має графічне й аналітичне рішення на факторному просторі двох головних компонентів.

7. Максимальна потужність міжпластя, при якій забезпечується ефективний захист викидонебезпечних пластів під час випереджаючої надробки, становить 22 м.

8. За результатами гірничо-експериментальних досліджень (міжпластя l1 - k8 потужністю 42,6 м на ОП "Шахта ім. О.Ф.Засядька") установлено, що надробка пластом l1 на ділянках пласта k8 у порівнянні з ненадробленими ділянками істотно знизила напружений і газодинамічний стан пласта (зменшення початкової швидкості газовиділення, виходу бурового дрібняку, газового тиску, десорбції вугілля; підвищення коефіцієнта міцності вугілля). У результаті природна газоносність пласта знизилася до безпечних значень.

Таким чином, гірничо-експериментальні дослідження підтвердили вірогідність і надійність розробленого способу визначення ефективності захисної дії випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів, тому що відповідно до цього способу надробка при міжпласті l1 - k8 ефективна, а відповідно до нормативного способу - неефективна.

9. Проведені дослідження дозволили розробити “Методичні рекомендації з визначення ефективності захисної дії випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів” для практичного використання розробленого способу на вугільних шахтах України.

10. Соціальний ефект виконаної роботи полягає в підвищенні безпеки праці працюючих за рахунок більш ефективного й вірогідного визначення ефективності захисної дії випереджаючої надробки. Економічний ефект досягається за рахунок розширення обсягу застосування випереджаючої надробки і складає 131 тис.грн. на рік у вугільній промисловості України.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Евдокимова В.П. Статистический способ определения эффективности защитного действия опережающей надработки выбросоопасных пластов / В.П. Евдокимова, В.П. Коптиков, И.А. Южанин; Гос. Макеевский научн.-исслед. ин-т. – Донецк: “Вебер” (Донецкое отделение), 2007. – 443 с.: ил., табл. – Библиогр.: с. 266-279.

2. Евдокимова В.П. Математическая модель эффективности защитного действия опережающей надработки выбросоопасных пластов Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах: Сб. научн. трудов. – Макеевка, 2003. – С. .

3. Евдокимова В.П., Южанин И.А. Расчёт деформаций надработанного массива горных пород Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах: Сб. научн. трудов. – Макеевка, 2001. – С. .

4. Южанин И.А., Новичихин И.А., Тихолиз А.М., Евдокимова В.П. Определение дальности защитного действия опережающей надработки пластов с учетом состава и свойств пород междупластья // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах: Сб. научн. трудов. – Макеевка, 1998. – С. .

5. Муравьёва В.М., Южанин И.А., Евдокимова В.П. Расширение границ защитного действия опережающей надработки пластов Сб. научн. трудов Национальной горной академии Украины. – 2001. – Т.2, № . – С. 67-71.

6. Коптиков В.П., Евдокимова В.П., Южанин И.А. Статистический способ определения эффективности защитного действия опережающей разработки пластов Уголь Украины. – 2007. – № . – С. 12-15.

7. Пат. 13126 Україна, МПК Е21F 5/00. Спосіб визначення ефективності захисної дії випереджальної надробки викидонебезпечних вугільних пластів: Пат. 13126 Україна, МПК Е21F 5/00 В.П. Коптиков, В.П. Євдокимова, І.А. Южанін (Україна); Держ. Макіївський наук.-досл. ін-т. – u  ; Заяв. 26.09.2005; Опубл. 15.03.2006, Бюл. № . – 8 с.: іл.

8. Пат. 20625 А Україна, МПК Е21F 5/00. Спосіб визначення дальності захисної дії під час випереджаючої надробітки пластів: Пат. 20625 А Україна, МПК Е21F 5/00 І.А. Южанін, І.О. Новічіхін, О.М. Тихоліз, В.П. Євдокімова В.П. (Україна); Держ. Макіївський наук.-досл. ін-т. – № ; Заяв. .03.97. Опубл. 27.02.98, Бюл. № . – 8 с.

9. Yuzhanin I.A., Yevdokimova V.P. Calculation of overworked laminated rock mass deformations //Issues of Underground Space Use for Environmentally Protected World 2001: International Symposium. Dnipropetrovsk, 26-29 June 2001. – Dnipropetrovsk, 2001. – P. 133-135.

10. Коптиков В.П., Южанин И.А., Евдокимова В.П. Определение эффективности защитного действия опережающей надработки выбросоопасных пластов // Технологии и оборудование для добычи угля подземным способом: Междунар. научно-практ. конференция. Донецк, 4 сент. 2002г. – Донецк, 2002. – С. .

11. Коптиков В.П., Евдокимова В.П., Южанин И.А. Способ определения эффективности защитного действия опережающей надработки выбросоопасных пластов Старопромислові регіони Західної і Східної Європи в умовах інтеграції: Міжнар. наук.-практ. конференція. Донецьк, 26-29 лист. 2003. – Донецьк, 2003. – С. .

12. Коптиков В.П., Евдокимова В.П., Южанин И.А. Определение эффективности защитного действия опережающей надработки выбросоопасных пластов // Горная геология, геомеханика и маркшейдерия: Междунар. научно-техн. конференция. Донецк, 11-15 окт. 2004 г. – Донецк, 2004. – Часть II. – С. 463-468.

Особистий внесок автора в роботах, опублікованих у співавторстві, полягає:

? [1, 3, 4, 6-12] – у застосуванні математичного апарата лінійної алгебри, теорії ймовірностей і математичної статистики на всіх рівнях наукових досліджень;

? [3-5] – у створенні статистичних моделей оцінки впливу міжпластя на захисний ефект, створюваний випереджаючою надробкою викидонебезпечних пластів;

? [10-12] – у використанні машинного експерименту як інструменту пізнання захисної дії випереджаючої надробки на основі концепції згортки простору вихідних впливальних факторів за рахунок виявлення неявних перемінних за допомогою багатофакторного статистичного аналізу;

? [7-8] – в узагальненні наукових знань.

АНОТАЦІЯ

Євдокімова В.П. “Обґрунтування і розробка способу визначення ефективності захисної дії випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.26.01 “Охорона праці”. Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості (МакНДІ). Макіївка, 2007 р.

Установлено, що ефективність захисної дії випереджаючої надробки викидонебезпечних пластів (ЕВН) визначається характеристиками захисного і розроблюваного пластів, породних шарів міжпластя. Вплив порід міжпластя характеризується величиною їх відносної деформації, що визначається за розробленою методикою на ПК.

Розроблено двомірну статистичну модель, яка представляє чіткий розподіл багатовимірних об'єктів дослідження на три області: з відсутністю або неефективним захистом і захищеною. Розроблено спосіб визначення ЕВН для практичного використання на вугільних пластах України. Класифікація пластів за ступенем захисту здійснюється на основі аналітичних імовірнісних оцінок, програмним способом на ПК або за графіком.

Ключові слова: викидонебезпечний пласт, випереджаюча надробка, деформація порід міжпластя, статистична модель, імовірнісні оцінки, ефективність захисної дії.

АННОТАЦИЯ

Евдокимова В.П. Обоснование и разработка способа определения эффективности защитного действия опережающей надработки выбросоопасных пластов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 “Охрана труда”. Государственный Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности (МакНИИ). Макеевка, 2007 г.

Работа посвящена научному обоснованию и разработке способа определения эффективности защитного действия опережающей надработки выбросоопасных пластов.

Установлено, что эффективность защитного действия опережающей надработки выбросоопасных пластов определяется характеристиками защитного (глубина разработки, угол залегания, мощность, ширина выработанного пространства, способ управления горным давлением) и разрабатываемого (мощность, количество слагающих его пачек, выход летучих веществ) пластов, мощностью и крепостью породных слоев междупластья, их взаимным расположением.

Влияние состава пород междупластья на эффективность защитного действия характеризуется величиной их относительной деформации на уровне почвы разрабатываемого пласта. Разработана методика расчета относительных деформаций надрабатываемого слоистого массива пород. Методика учитывает взаимное расположение породных слоев различной мощности и крепости применительно к трем схемам деформирования. Получена корреляционная зависимость вида  expf, , H, h/a}, позволяющая рассчитать величину относительной деформации надработанных породных слоев на любом расстоянии от защитного пласта. Влияющими независимыми факторами в полученной зависимости являются: крепость породного слоя  f, угол падения и глубина залегания защитного пласта Н, мощность породного слоя h в отношении к ширине выработанного пространства на защитном пласте. Линеаризованная регрессия вида ln {f, , H, h/a} характеризуется множественным коэффициентом корреляции 0,64 с надежностью не менее 0,95.

Эффективность защитного действия опережающей надработки выбросоопасных пластов определяется по разработанному способу согласно статистической модели, устанавливающей связь между влияющими факторами и степенью защищенности выбросоопасного пласта.

Статистическая модель разработана методом главных компонент. Она позволяет описать пространство шести исходных коррелирующих факторов двумя независимыми главными компонентами. Выявлено, что значимо влияющими факторами являются: характеристика междупластья ; характеристики надрабатываемого пласта – угол падения , вынимаемая мощность mн и количество слагающих его пачек n, выход летучих веществ Vdaf, учитываемый через показатель К; характеристика защитного пласта: эффективная мощность mэ, м. Пространство двух главных компонент {F1, F2} охватывает 82% дисперсии многомерных объектов исследования (надработанных пластов) и представляет четкое их разделение на три области: с отсутствием защиты, неэффективной защитой и защищенной. Главные компоненты однозначно определяются системой уравнений и являются линейными функциями исходных коррелирующих факторов: ln , ln K, , mн, n, ln mэ.

Для вероятностной оценки принадлежности наблюдаемого объекта к той