МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ПІЛЮГИН ВІТАЛІЙ ІВАНОВИЧ

УДК 622.83:622.031:551.24

ПРОГНОЗУВАННЯ ГЕОМЕХАНІЧНИХ УМОВ
РОЗРОБКИ ПОЛОЖИСТИХ ВУГІЛЬНИХ ПЛАСТІВ У ПРИРОДНИХ АНОМАЛЬНИХ ЗОНАХ

Спеціальність 05.15.09 — «Геотехнічна і гірнича механіка»

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук

Дніпропетровськ–2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі гірничої геомеханіки Державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет» Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор, професор кафедри гірничої геомеханіки ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» Міністерства освіти і науки України ЗБОРЩИК Михайло Павлович.

Офіційні опоненти:

Усаченко Борис Миронович, доктор технічних наук, професор, завідувач відділу механіки гірничих порід Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова (м. Дніпро-петро-вськ) Національної академії наук України;

Садовенко Іван Олександрович, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри гідрогеології Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України;

БорзИх Анатолій Пилипович, доктор технічних наук, професор, професор кафедри розробки родовищ корисних копалин Донбаського державного технічного університету (м. Алчевськ) Міністерства освіти і науки України.

Захист дисертації відбудеться «13» червня 2008 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49005, Україна, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України: 49005, Україна, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

Автореферат розісланий «12» травня 2008 г.

Вчений секретар спеціалізованої вченої
ради Д 08.080.04, к.т.н., доцент О.В. Солодянкін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Більшість вугільних пластів, що розробляються в Донбасі, мають високий рівень тектонічної порушеності розривного і плікативного характеру. У цих умовах інтенсивність геомеханічних і газодинамічних проявів в гірничих виробках характеризується досить вираженою зональністю і нерівномірністю розподілу за площею шахтних полів. Практика показала, що існують несприятливі (аномальні) для розробки ділянки, які, як правило, приурочені до зон складного залягання пластів. Разом з тим, існують і відносно сприятливі області у межах плоских ділянок шахтних полів.

Основною причиною зональності проявів гірського тиску у виробках є нерівномірний розподіл у природному масиві складного і маловивченого тектонічного поля напружень. Воно сформувалося внаслідок різноманітних і специфічних деформацій земної кори, що протікали після періоду осадонакопичення. При цьому у практично плоскій слабопохилій осадовій товщі Донбасу виникли системи регіональних крупних і середніх розривних порушень. Між ними утворилися складки, перегини, флексури та інші плікативні зміни залягання пласта і вміщуючих порід. Сучасна форма осадового масиву відображає кінцевий результат дії потужних і тривалих процесів тектонічного формозмінення. Це свого роду природнє поле деформацій, яке можна використовувати для прогнозування аномалій тектонічного походження та геомеханічних умов відробки положистих вугільних пластів в зонах їх впливу.

Аналіз раніше виконаних досліджень і діючих у вугільній галузі України нормативних інструкцій показав, що в даний час проектування гірничих робіт засновано на гіпотезі про рівномірний характер розподілу природного силового поля у природному масиві. Виключенням вважають зони впливу розривних тектонічних порушень, де умови розробки істотно ускладнюються. Плікативним змінам залягання вугленосної осадової товщі приділялося значно менше уваги і їх вплив на геомеханічні умови розробки, як правило, не враховується. При цьому відсутні методи визначення місця розташування природних аномальних зон у межах площі шахтних полів, не пояснена зональність розподілу тектонічних напружень у природному масиві, не розкритий зв'язок форми його залягання з проявами гірського тиску у виробках і т. ін. Таким чином, актуальною проблемою є створення наукових основ прогнозування гомеханічних умов відробки вугільних пластів у природних аномальних зонах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами науково-прикладних робіт визначений участю автора у виконанні багаторічних досліджень кафедри гірничої геомеханіки ДонНТУ зі створення геомеханічних основ високоефективної та безпечної розробки вугільних пластів у складних умовах глибоких шахт Донбасу. Дисертація є складовою частиною держбюджетної теми Д-12-03 «Розробка системи геомеханічного прогнозу умов розробки положистих вугільних пластів на великих глибинах» (номер держреєстрації 0103U001731). Крім того, у період роботи над дисертацією під керівництвом здобувача Донецьким учбово-науково-виробничим гірничим об’єднанням на умовах господарських договорів виконано 32 науково-прикладні роботи на замовлення провідних вуглевидобувних підприємств галузі.

Метою роботи є створення наукових основ прогнозування геомеханічних умов розробки одиночних положистих вугільних пластів у природних аномальних зонах.

Ідея роботи полягає у використанні зв'язку природної форми залягання масиву з місцерозташуванням зон аномальної дії природного поля напружень для прогнозування геомеханічних умов відробки запасів плікативно порушених положистих вугільних пластів

Для досягнення мети необхідно вирішити наступні завдання.

1. Розкрити взаємозв'язок природної форми залягання масиву з рівнем діючих в ньому тектонічних напружень.

2. Обгрунтувати принципи та удосконалити методи прогнозування природної форми залягання масиву у межах площі шахтних полів.

3. Встановити особливості проявів гірського тиску у пластових підготовчих виробках при розробці запасів природних аномальних зон.

4. Встановити особливості проявів гірського тиску в очисних вибоях при розробці запасів природних аномальних зон.

5. Розробити систему прогнозування місцерозташування природних аномальних зон за площею шахтних полів і нові методи оцінки проявів гірського тиску у виробках

Об'єкт досліджень — геотектонічний процес формування плікативної порушеності гірського масиву і його напруженого стану.

Предмет досліджень — закономірності зв'язку природної форми залягання масиву з його напруженим станом і умовами ведення гірничих робіт.

Методи досліджень. При виконанні роботи був виконаний аналіз досліджень з проблеми і узагальнений практичний досвід ведення гірничих робіт на плікативно порушених шахтопластах, здійснювалося моделювання природної форми залягання масиву стаціонарним методом поліномінальної регресії, а також відомими нестаціонарними методами, шахтні інструментальні виміри конвергенції контуру підготовчих виробок, натурні вимірювання параметрів зон обвалень покрівлі в очисних вибоях, накладення карт ступеню тектонічного формозмінення масиву на плани гірничих виробок діючих шахт, а також досвідно-промислова перевірка і впровадження розроблених способів, технологій і рекомендацій

Основні наукові положення, що виносяться до захисту.

1. Лінійна складчастість положистих вугільних пластів і вміщуючих порід є результатом тектонічної формозміни гірського масиву і прогнозується на основі стаціонарних за площею апроксимуючих функцій вертикальної координати поверхні залягання, які мають оптимальний (для умов шахтопласта) степінь поліномів і характеризуються тим, що поле градієнтів їх перших похідних на ділянках складного залягання відповідає фактичному розподілу кутів падіння пласта і порід. Це дозволяє достовірно моделювати природну форму залягання плікативно порушених положистих вугільних пластів.

2. Напружений стан природного плікативно порушеного масиву характеризується зональністю, яка полягає в узгодженості напрямків головних компонент тектонічних напружень з напрямками головних кривин поверхні залягання порід, наявності прямого зв'язку між рівнем цих напружень і величиною градієнта головних кривин у даній точці, концентрації тектонічних напружень у потужних піщаниках, що є «компетентними» шарами при складкоутворенні, а також у формуванні несприятливих для виробок областей різноспрямованої дії тектонічних напружень у зонах сідлоподібної форми. Це дозволяє визначати місцезнаходження природних аномальних зон.

3. Величина і інтенсивність конвергенції контуру пластових виробок, що підтримуються у природному гірському масиві при зворотному порядку відробки лав, лінійно залежить від показника тектонічної формозміни вміщуючих порід і достовірно прогнозується на основі зв'язку між коефіцієнтом тектонічного поля напружень і градієнтом головних кривин залягання масиву, що дозволяє прогнозувати стійкість підготовчих виробок з урахуванням наявності аномальних зон в межах площі шахтних полів.

4. Вплив тектонічної формозміни масиву на стійкість покрівлі в очисних виробках виявляється у вигляді прямої лінійної залежності відносної площі обвалень порід від градієнта головних кривин рельєфу залягання пласта, а небезпечні значення цього показника, відповідні зниженню категорії стійкості, зменшуються за експоненціальним законом при збільшенні потужності шару і лінійно згасають із зростанням глибини, що дозволяє прогнозувати стійкість порід покрівлі очисних вибоїв при розробці запасів аномальних зон положистих вугільних пластів.

Наукова новизна результатів роботи, що захищається.

1. Вперше на основі статистичного аналізу даних геологічної експлуатаційної розвідки залягання положистих плікативно порушених пластів встановлено, що в межах шахтних полів їх форма є об'єктом з функціональною або середньою просторовою мінливістю і може прогнозуватися з використанням стаціонарних (за площею) функцій за умовою обмеження області моделювання значеннями порогів варіограм сукупності опорних точок з відомими координатами.

2. Здійснений розвиток методу моделювання природної форми залягання вугільних пластів і вміщуючих порід за даними геологічної і експлуатаційної розвідки на основі поліномінальної регресії з використанням поліномів оптимальної степені, який відрізняється тим, що площа прогнозування у межах природного масиву визначається експериментально для умов конкретного шахтопласта і обмежується розмірами зони відтворення залягання на раніше відроблених ділянках.

3. Вперше встановлено, що тектонічні напруження, які діють у породах на плікативно порушених ділянках шахтопластів, зорієнтовані у напрямках головних кривин рельєфу залягання, а їх граничні значення можна оцінювати за формулами вигину пружних плит (формули С. Жермен). Максимальні величини напружень спостерігаються у потужних піщаниках, що характеризуються високими значеннями модуля пружності. При цьому на досягнутих глибинах тектонічні напруження у природному масиві можуть перевищувати гравітаційні, тобто формувати аномальні зони, у випадку, якщо показник тектонічного формозмінення порід (градієнт головних кривин) перевищує величину 0,2 км-1.

4. Вперше встановлено, що найбільш несприятливі умови розробки і максимально нестійкі ділянки виробок при веденні гірничих робіт спостерігаються в зонах сідлоподібної форми залягання порід. Синклінальні порушення (складки) в цьому плані найменш небезпечні. При моноклінальному (плоскому) заляганні вміщуючої товщі формування аномальних зон не відбувається і в ній діє рівномірно розподілене за площею гравітаційне поле напружень.

5. Вперше на основі шахтних інструментальних вимірів встановлена пряма лінійна залежність між швидкістю конвергенції порід контуру виробок, що підтримуються у природному гірському масиві при зворотному порядку відробки лав, і градієнтом головних кривин поверхні залягання масиву у даній точці, яка дозволила здійснити розвиток нормативного методу прогнозу їх стійкості.

6. Вперше на основі практичного досвіду ведення очисних робіт на одиночних положистих пластах встановлена лінійна зростаюча залежність відносної площі обвалень порід покрівлі у лавах від величини градієнта головних кривин природної форми залягання масиву. При цьому обґрунтований і визначений ступінь тектонічного формозмінення пласта, при якому відбувається істотне зростання інтенсивності обвалень порід безпосередньої покрівлі і зміна (зменшення) категорії їх стійкості.

7. Вперше на основі практичного досвіду відробки одиночних викидонебезпечних шахтопластів встановлений домінуючий вплив плікативної порушеності і обумовленого нею нерівномірного характеру розподілу тектонічних напружень у природному гірському масиві на формування особливо викидонебезпечних ділянок. Межі ділянок визначаються за небезпечними значеннями градієнта головних кривин поверхні залягання пласта і вміщуючих порід з урахуванням її форми для конкретних умов.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків та рекомендацій дисертації забезпечується:—

використанням всього обсягу фактичних даних про залягання розроблюваних вугільних пластів, про розташування ділянок незадовільного стану підготовчих виробок, зон обвалень покрівлі в очисних вибоях, зон газодинамічних явищ;—

коректним використанням відомих і апробованих методів моделювання і візуалізації природної форми залягання пластів і вміщуючих порід, фундаментальних основ теорії пружності та результатів натурних досліджень;—

задовільною збіжністю результатів шахтних інструментальних спостережень у підготовчих виробках з прогнозними величинами конвергенції порід їх контуру при підтриманні у природних аномальних зонах (неузгодженість не перевищує 22%);—

широким впровадженням розроблених способів, технологій та рекомендацій при розробці положистих плікативно порушених шахтопластів.

Наукове значення роботи полягає у розкритті зв’язку між природною формою залягання гірського масиву з його напруженим станом, що дозволяє прогнозувати місцезнаходження аномальних зон і рівень геомеханічних проявів у виробках при веденні гірничих робіт на основі експлуатаційної геометризації.

Практичне значення роботи:—

удосконалена технологія створення електронних планів гірничих виробок діючих вугільних шахт (патент України № 12140);—

удосконалений нормативний метод прогнозування конвергенції контуру пластових підготовчих виробок, що підтримуються поза зоною впливу очисних робіт, який враховує зростання тектонічних напружень у природних аномальних зонах;—

розроблений принципово новий спосіб прогнозування стійкості безпосередньої покрівлі очисних вибоїв, що враховує можливу зміну її категорії у природних аномальних зонах під дією тектонічного поля напружень;—

обґрунтований новий спосіб оцінки напруженого стану природного масиву, що враховує зв'язок форми його залягання з діючими тектонічними напруженнями (патент України № 80083);—

розроблений новий спосіб розвантаження виробок від напружень, що забезпечує їх захист від шкідливої дії горизонтальної складової силового поля і впливу очисних робіт шляхом створення у вугільному пласті розвантажувальних порожнин (авторське свідоцтво СРСР № 1230348);—

запропонований принципово новий спосіб прогнозування місця знаходження особливо викидонебезпечних ділянок у межах площі шахтних полів, заснований на домінуючому впливі на їх формування тектонічного силового полю (деклараційний патент України №11419)

Реалізація висновків і рекомендацій роботи:—

розроблена технологія створення електронних планів гірничих виробок ухвалена технічною радою Міністерства палива і енергетики України (протокол від 27.07.2004 р.) і рекомендована для широкого впровадження на підприємствах галузі;—

з використанням нової технології створення електронних планів гірничих виробок і розробленого методу моделювання рельєфу залягання шахто-пластів виконаний комплекс робіт із створення 44 електронних планів 22 крупних шахт Донбасу;—

програмне забезпечення для експлуатаційної геометризації шахтопластів, що розроблено у дисертації, використовується на шахті ім. О.Ф. Засядька технічною і маркшейдерською службами при складанні технологічних паспортів кріплення і підтримання гірничих виробок;—

розроблений «Комплекс заходів з прогнозування місцерозташування аномальних зон тектонічного походження під час розробки положистих вугільних пластів Донбасу» розглянутий і затверджений Міністерством вугільної промисловості України як рекомендаційний документ для вуглевидобувних підприємств галузі;—

основні наукові і прикладні результати роботи використовуються в навчальному процесі при підготовці гірничих інженерів-технологів, а також у науково-дослідній діяльності, включаючи підготовку магістрів і аспірантів.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові і прикладні результати дисертації були викладені, обговорені та ухвалені на наступних міжнародних наукових конференціях і економічних форумах: «Тиждень гірника» (Москва, МДГУ, 2003); «Гірнича геологія, геомеханіка і маркшейдерія» (Донецьк, УкрНДМІ, 2004); Софійського гірничо-геологічного університету ім. Св. Івана Рілськи (Софія, Болгарія, 2004); «Шляхи підвищення безпеки гірничих робіт у вугільній промисловості» (Макіївка МакНДИ, 2004); «Стабільний розвиток гірничо-металургійної промисловості» (Кривий Ріг КТУ, 2005); «Сучасні проблеми шахтного і підземного будівництва (Алушта, Крим, Україна, 2005); «Відкритий Донбас – 2007» (м. Донецьк, Донецька ТПП, 2007).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 36 друкованих праць. Основні наукові і прикладні результати роботи досить повно викладені у 6 монографіях і 19 статтях у виданнях, включених до офіційного переліку ВАК України. При виконанні роботи отримані два патенти на винаходи і два декларативні патенти України.

Обсяг і структура дисертації. Робота включає вступ, 7 основних розділів, висновки, список використаної літератури із 175 найменувань на 16 сторінках і 1 додаток. Основний текст роботи викладено на 258 сторінках з урахуванням 118 рисунків і 17 таблиць. Загальний обсяг дисертації 323 сторінки.

Здобувач виражає особливу подяку науковому консультанту, професору, доктору технічних наук Зборщику М.П. за допомогу, надану на всіх етапах виконання роботи. Цінні ідеї і зауваження при теоретичному обґрунтуванні основних положень роботи були висловлені професором, доктором технічних наук Дворніковим В.І. Велику допомогу в проведенні експериментів надали інженерно-технічні працівники шахт ім. О.Ф. Засядька, ім. В.М. Бажанова, «Чайкіно» і інших підприємств галузі.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Дослідженнями напружено-деформованого стану неторканого масиву як природного середовища, в якому ведуться гірничі роботи, займалося багато вчених провідних галузевих і академічних інститутів, а також ВНЗ СРСР і країн СНД. Серед них ВНДМІ, ДонВДІ, УкрНДМІ, МДГУ (МГІ), НГУ (ДГІ), ДонНТУ (ДПІ), ІГТМ, ДонФТІ, ІГД ім.. О.О. Сочинського, СПДГІ (ЛГІ), УДГУ (СПІ), КДГУ (КузПІ), ДонГТУ, ІГД СВ РАН та інші. Аналіз виконаних досліджень показав, що силове поле природного гірського масиву часто істотно відрізняється від гравітаційного. При цьому воно досить нерівномірно розподілено за площею родовищ і має аномалії у вигляді зон підвищених напружень.

У даний час відомості про характер розподілу природного напруженого стану в неторканому масиві досить суперечливі і безсистемні. З одного боку, в літературі відбитий практичний досвід ведення гірничих робіт, який показує наявність зональності газодинамічних і геомеханічних проявів при розробці. Погіршення умов розробки зазвичай характерно для ділянок складного залягання масиву і цілком може бути обумовлено природними, тобто тектонічними аномаліями напруженого стану порід. З іншого боку, низка дослідників аргументовано заперечують саму можливість наявності в осадових масивах залишкових напружень тектонічного походження. На цій підставі вони приділяють основну увагу техногенним і технологічним факторам, вважаючи, що силове поле природного масиву формується виключно гравітаційними, тобто рівномірно розподіленими силами.

Існування вказаної суперечності призвело до того, що в галузевих нормативних документах та інструкціях у даний час роль тектонічної порушеності, особливо плікативної, істотно занижена. При цьому не пояснена зональність газодинамічних і геомеханічних проявів при розробці, відсутні достовірні методи моделювання природної поверхні залягання масиву, не розкритий зв'язок його форми з напруженим станом, не розроблені підходи з кількісної оцінки проявів гірського тиску у виробках і т. д. Все це змушує глибше досліджувати напружений стан природного масиву, особливо у плікативно порушених зонах.

З урахуванням наведеного аналізу сформульовані мета, ідея і основні завдання роботи.

У другому розділі дисертації обґрунтовані принципи і правила прогнозування природної поверхні залягання масиву плікативно порушених положистих вугільних пластів, що розробляються.

Аналіз досвіду проведення гірничих робіт на глибоких шахтах Донбасу показав, що переважаючим видом плікативної порушеності пластів положистого залягання є лінійні складки. Їх розміри змінюються в досить широких межах (2–4 групи за Букрінським В.А.). Різноманітною може бути і форма складок. Ці особливості необхідно враховувати при моделюванні природної поверхні залягання масиву на раніше відроблених ділянках і її прогнозуванні у зонах майбутнього розвитку гірничих робіт.

За вихідні дані для моделювання використовувалися всі наявні на даний період розробки шахтопласта відомості про його просторове розташування. Вони включають координати пунктів маркшейдерських мереж у діючих та погашених підготовчих виробках (дані експлуатаційної розвідки), а також координати точок підсічки пласта свердловинами (дані геологорозвідки). Перша група опорних точок характеризується відносно високою щільністю розподілу за площею відроблених ділянок шахтного поля (відстань між пунктами 50–200 м) і високою точністю визначення координат (помилка не перевищує 2 м). Друга частина вихідних даних є менш достовірною. Це обумовлено тим, що відстань між свердловинами змінюється від 1000 до 1500 м, а помилка визначення координат складає 20 м та більше. Таким чином, наявні вихідні дані для моделювання характеризуються істотною неоднорідністю у плані щільності їх розподілу за площею шахтних полів і точності визначення координат при переході з раніше відроблених на перспективні ділянки шахтопластів.

Рис. 1 Варіограми вихідних даних залягання положистих вугільних пластів: а, б, в – пласти m3, l1, і k8 шахти ім. О.Ф. Засядька; г – пласт m3 шахти ім. В.М. Бажанова

Оцінка експериментальних даних на статистичну однорідність (стаціонарність) виконувалася з використанням варіограм, тобто функцій взаємозв'язку між середньоквадратичним відхиленням глибини розташування опорних точок (координати z) і відстанню між ними. Варіограми будувалися з використанням відомого графічного пакету SURFER 8 за стандартними методиками.

На рис. 1 наведені приклади варіограм вихідних даних деяких плікативно порушених шахтопластів Донецько-Макіївського району. В основному вони мають вигляд затухаючих кривих. Інтервал виположування графіків, тобто поріг варіограм, сягає 1 км. Ця відстань складає довжину зони геостатистичної стаціонарності, тобто передбаченості функції залягання масиву z = f(x,y). Значення середньоквадратичного відхилення в області стабілізації не перевищує 0,0025 км, що дорівнює точності визначення координат пунктів маркшейдерських мереж. Це свідчить, що положисті вугільні пласти є об’єктами з функціональною і середньою просторовою мінливістю і можуть за певних умов достовірно моделюватися стаціонарними функціями.

За основний стаціонарний метод моделювання використовувалася поліномінальна регресія. Стосовно особливостей вирішуваного завдання необхідно було суттєво зменшити «провиси» функції залягання z = f(x,y) у проміжках між опорними точками, а також здійснити уточнення розмірів зони достовірного моделювання на ділянках істотного зниження щільності опорних точок.

Для зменшення можливих «провисів» функції залягання z = f(x,y) використовувалися найбільш стійкі ортогональні поліноми Чебишева. Їх оптимальний степінь, який відповідає реальній складчастості пласта, що розробляється, визначали за спеціально розробленою процедурою. Вона заснована на почерговому «виколюванні» опорних точок з їх загальної сукупності, визначенні значень коефіцієнтів поліномів методом найменших квадратів і мінімізації середньої приведеної помилки опису z. Як показали результати моделювання, використання таких поліномів дозволяє «згинати» апроксимуючу поверхню у напрямі опорних точок без її істотних «провисів» в проміжках між ними.

Другим досить важливим удосконаленням методу поліномінальної регресії є процедура визначення розмірів зони достовірного прогнозування на невідроблених ділянках з низькою щільністю опорних точок. Вона заснована на припущенні, що область прогнозування в напрямі природного масиву не може бути більше, ніж зона достовірного відтворення залягання на раніше відроблених ділянках.

Процедура реалізується таким чином. Спочатку моделюється залягання пласта на раніше відробленій площі. Потім із загальної сукупності опорних точок викидається нижній ряд пунктів маркшейдерської мережі у виробці, пройденій безпосередньо біля границі виробленого простору. З використанням моделі здійснюється прогноз залягання пласта без цієї виробки і будується розріз уздовж її траси. Він порівнюється з розрізом, побудованим за реальними даними, і визначається помилка прогнозування. Якщо її величина менше заданої (2 м), тоді вважається, що в даній зоні залягання пласта змодельоване достовірно. Після цього цикл виключення ряду опорних точок повторюється з двома і більш крайніми виробками. Відповідно, ширина зони відтворення поверхні залягання при цьому збільшується. Процес завершувався у випадку, якщо помилка прогнозування перевищує допустиму величину.

а

б

Рис. 2. Викопіювання з плану гірничих робіт (а) і розрізи по довжині 10-го західного конвеєрного штреку пласта l1 шахти ім. О.Ф. Засядька (б): 1 — фактичний розріз; 2 — розріз без відміток по одній виробці; 3 — те ж саме, без двох виробок (10-й і 9-й конвеєрні штреки)

На рис. 2 показане викопіювання з плану гірничих виробок західного крила пласта l1 шахти ім. О.Ф. Засядька і розрізи по 10-у конвеєрному штреку. Аналіз графіків показує, що в умовах досить вираженої плікативної порушеності масиву ширина зони достовірного прогнозування не перевищує висоти одного ярусу (280 м). Якщо пласт має спокійніше залягання, то розміри цієї області можуть істотно зростати. Так, в умовах шахтопласта m3 на шахті ім. В.М. Бажанова можна достовірно прогнозувати залягання приблизно на 3 яруси нижче за межу виробленого простору, тобто на відстань приблизно 850 м.

Отриманий результат не суперечить даним варіограм. Проте, нова процедура визначення розмірів області прогнозування дозволяє уточнювати довжину зони стаціонарності функції залягання z = f(x,y) для конкретних умов і істотно підвищити достовірність методу поліномінальної регресії стосовно поставленого завдання.

Моделювання з використанням нестаціонарного підходу, як альтернативний варіант побудови, здійснювалося на основі стандартних процедур останньої версії пакету SURFER 8. При цьому використовувалися: метод зворотних відстаней (kriging), нелінійної радіальної інтерполяції (radial basic function), метод локальних поліномів (local polynomial) і метод мінімальних кривин (minimum curvature). Їх реалізація здійснюється шляхом розподілу модельованої області на окремі, дрібніші ділянки, інтерполяції залягання пласта в їх межах і візуалізації загальної поверхні.

Для оцінки достовірності побудов використовувалися: відома теорема Найквіста-Котельникова, візуалізація і аналіз поверхонь частинних перших похідних функції залягання z = f(x,y), порівняння максимальних значень кутів нахилу моделі і реального пласта на відроблених ділянках і аналіз величин помилок відтворення залягання на раніше відроблених ділянках.

Результати досліджень показали, що максимальну достовірність побудов забезпечують стаціонарні апроксимуючі функції, що мають оптимальний для умов конкретного шахтопласта степінь поліномів. При цьому площа прогнозування має бути обмежена розмірами зони достовірного відтворення залягання на раніше відроблених ділянках. Такі моделі характеризуються тим, що кількість екстремумів (перегинів) за напрямками не може перевищувати половину відповідного числа опорних точок (теорема Найквіста-Котельникова), а поле градієнтів перших похідних на ділянках складного залягання відповідає фактичному розподілу кутів падіння пласта і порід.

У третьому розділі наведені результати досліджень зв'язку між формою поверхні залягання плікативно порушених положистих вугільних пластів і розподілом рівня діючих у природному гірському масиві тектонічних напружень.

Осадовий гірський масив можна представити як сукупність зігнутих пружних плит, що налягають одна на одну. В цьому випадку максимальні величини головних додаткових горизонтальних напружень вигину 1 і 2 визначаються за відомими рівняннями С. Жермен. Якщо деформації вигину і , що входять до них, замінити на чисельно рівні їм головні кривини поверхні плити К1 і К2, отримаємо прості формули взаємозв'язку напружень і форми природного плікативно порушеного гірського масиву:

; , (1)

де Е — модуль пружності; — коефіцієнт Пуассона; h — товщина плити.

Залежності (1) відображають зв'язок між формою залягання плікативно порушеного масиву з додатковими напруженнями, що виникають при його вигині, тобто з тектонічними напруженнями. Їх величина не залежить від характеру дії складкоутворюючих сил. Вона визначається пружними характеристиками порід і ступенем природних деформацій осадової товщі. Значення кривин К1 і К2 природного масиву можна визначити в будь-якій точці шахтного поля (плити), знаючи функцію залягання пласта і вміщуючих порід z = f(x,y).

Для експериментального підтвердження достовірності зв'язку (1) були використані результати натурних досліджень, виконаних науковим колективом ІГТМ НАН України спільно з ІТП шахти ім. О.Ф. Засядька. Вимірювання напружень, що діють у природному гірському масиві, виконувалися у 10-му західному конвеєрному штреку пласта l1 методом локального гідравлічного розриву. За даними виконаних 25 вимірів були отримані наступні значення головних компонент вихідного силового поля: максимальні горизонтальні напруження 1 змінювалися від 44,5 до 60,0 МПа (середнє значення 50,7 МПа); мінімальні горизонтальні 3 — від 18,0 до 21,0 МПа (середнє — 20,1 МПа); значення вертикальних 2 склало 28,0 МПа. Напрями дії головних напружень були наступними: горизонтальні 1 практично паралельні лінії падіння пласта (азимут 180–190); мінімальні 3 направлені за простяганням; середні 2 мали приблизно вертикальний напрям.

Прогнозні величини тектонічних напружень розраховували за формулами (1). Значення головних кривин поверхні залягання масиву у зоні проведення експерименту були отримані за результатами моделювання. Вони склали: К1=0,2 км-1 і К2=0. Значення інших впливаючих величин прийняли наступними: Е=2,51010 Па; h=9,5 м; =0,30. Отримані в результаті розрахунків горизонтальні напруження склали 1=52,1 МПа і 2=15,6 МПа. Вони є додатковими до гравітаційних (12,5 МПа), які визначалися за гіпотезою акад. О.М. Дінніка. Таким чином, величини компонент силового поля, що діє у масиві, склали 1=64,6 МПа, 2=28,1 МПа і 3=28,0 МПа.

Порівняння результатів розрахунків з даними експериментів показує їх добру збіжність. За компонентою горизонтальних напружень 1 різниця між ними складає усього 19%, за компонентою 3 — 28%, а за їх різницею (1–3) – усього 12%. При цьому величини розрахункових напружень у всіх випадках були вище зміряних. Таке кількісне і якісне співвідношення результатів обумовлено тим, що дія фактора часу, який призводить до релаксації напружень у результаті пластичних деформацій масиву у прийнятій пружній моделі, не враховувалася. В цілому, аналіз експериментальних і розрахункових даних підтвердив наявність зв'язку між тектонічним напруженнями, що діють у масиві, і природною формою залягання масиву. При цьому вперше була доведена можливість виконання оціночних прогнозних розрахунків компонент тектонічних напружень за відомими формулами С. Жермен з урахуванням описаних замін.

Встановлений зв'язок (1) показує, що високі значення (аномалії) тектонічних напружень спостерігатимуться у зонах складного залягання масиву, які характеризуються великими величинами головних кривин К1 і К2. Це є основною причиною нерівномірності розподілу природного силового поля за площею шахтопластів і зональності проявів гірського тиску у виробках при їх відробці.

При проектуванні гірничих робіт на плікативно порушених вугільних пластах важливо знати, як природна форма залягання масиву впливає на геомеханічні умови розробки тієї чи іншої ділянки шахтопласта. Для цього були виконані спеціальні дослідження.

Як показує аналіз формул (1), при моноклінальному заляганні силове поле неторканого масиву характеризується відсутністю тектонічних (вигинаючих) напружень. У ньому діють тільки рівномірно розподілені за площею гравітаційні сили і відсутні аномальні природні зони. Це забезпечує сприятливі умови розробки плоских ділянок.

У осадових масивах найбільш складними за механізмом свого формування є сідлоподібні області. Вони характеризуються тим, що пласт і вміщуючі породи зігнуті у двох взаємно перпендикулярних напрямах. Додаткові горизонтальні напруження вигину, що діють в окремих шарах сідлоподібних областей, направлені в різні боки. Одне з них є стискаючим, а інше — розтягуючим. У зв'язку з цим у породах виникає досить специфічний і дуже несприятливий розподіл дотичних напружень. Аналітичні дослідження з використанням положень теорії тріщиноутворення Баренблата показали, що відносний приріст довжини тріщин у масиві, який знаходиться в умовах дії різноспрямованого поля напружень, зумовлюється величиною квадрата стискаючої тектонічної компоненти і меншою мірою залежить від розтягуючої. Це говорить про те, що при формуванні сідлоподібних зон створюються досить сприятливі умови для розвитку тектонічної порушеності порід. Для практичного доказу такого виводу у роботі виконаний спеціальний аналіз інтенсивності розривних порушень вміщуючого масиву пласта d4 шахти «Красноармійська-Західна №1».

Синклінальні і антиклінальні складки, згідно з формулами (1), також є областями дії підвищених вигинаючих і дотичних напружень, які можуть призводити до руйнування порід. Необхідно враховувати, що ввігнута форма залягання є для осадового масиву більш природною, оскільки вона формується у період осадонакопичення до впливу тектонічних чинників. Таким чином, за інших рівних умов, ділянки антиклінальної форми небезпечніші, ніж синклінальні. Цей висновок обґрунтований даними про істотне зростання числа газодинамічних явищ і погіршення стану покрівлі в очисних вибоях при відробці випуклих ділянок. В зонах увігнутого залягання ці шкідливі прояви мають значно менше розповсюдження.

Всесвітньо відомі вчені Л. Ейлер і С. Жермен використовували кривину поверхні за критерій напружено-деформованого стану при вигині пружних стержнів і плит. Аналогічно для оцінки рівня тектонічного поля у природному масиві використовувався градієнт головних кривин поверхні його залягання у даній точці К0. Цей показник є інваріантною величиною і чисельно дорівнює сумарній величині природних деформацій вигину масиву у зоні, що розглядається. У свою чергу деформації прямо пов'язані з напруженнями. Отже, по карті розподілу градієнта К0 можна у першому наближенні судити про зміну рівня сумарних вигинаючих, тобто тектонічних напружень, що діють у природному гірському масиві у межах площі шахтного поля. Ці карти використовувалися у процесі виконання подальших досліджень.

Аналіз формул (1) показує, що величини тектонічних напружень прямо пропорційні добутку модуля пружності порід на їх потужність. Стосовно умов залягання положистих пластів Донбасу це означає, що максимальна інтенсивність дії тектонічного поля спостерігатиметься у потужних шарах піщаників. Вони є своєрідними породами-мостами або «компетентними» шарами у масиві при формуванні його плікативної порушеності.

Виконані у розділі дослідження показали наявність зв'язку між параметрами тектонічного поля напружень, що діє у плікативно порушеному гірському масиві, і формою його залягання. Цей зв'язок дозволяє оцінювати і прогнозувати розподіл напружень за площею шахтних полів і за нормаллю до напластування порід.

У четвертому розділі наведені результати шахтних досліджень особливостей проявів гірського тиску у пластових підготовчих виробках плікативно порушених положистих вугільних пластів.

Інструментальні спостереження виконувалися у 4-х конвеєрних штреках пласта l1 шахти ім. О.Ф. Засядька. У період вимірів виробки підтримувалися поза зоною впливу очисних робіт у природному масиві. Перетин у світлі 10-го східного конвеєрного штреку складав 18,3 м2, інші три виробки мали перетини 13,8 м2. Глибина розташування штреків 1090–1270 м, довжина їх змінювалася від 890 до 1720 м. Середньозважена міцність навколишніх порід складала 48 МПа. У 9-му західному конвеєрному штреку двічі проводили підривання порід підошви, у трьох інших виробках ремонтні роботи не виконувались. Вертикальні зближення контуру виробок вимірювали рулеткою ВНДМІ з точністю 1 мм. Виміри виконувалися один раз у 2 тижні, відстань між вимірними перетинами складала 2,5 м (через 5 рам), загальний період спостережень тривав від 6 до 12 місяців. Всього було виконано близько 8 тисяч вимірів. Результати інструментальних спостережень у вигляді графіків наведені на рис. 3. Безперервною лінією показана зміна вертикальної конвергенції порід U уздовж штреку L, а пунктирною — зміна градієнта кривини К0 залягання пласта. Величина уздовж осі у відображає зміну параметрів U і К0 щодо їх середніх значень.

Рис. 3. Зміни по довжині L конвеєрного штреку, що підтримується у масиві вугілля, вертикальної конвергенції U порід контуру і кривини K0 рельєфу залягання пласта: а, б, в, г — відповідно 9-го західного, 10-го східного, 10-го і 12-го західних

Аналіз результатів показав, що по всіх виробках досить добре простежується тісний зв'язок між вертикальною конвергенцією порід їх контура і градієнтом головних кривин залягання пласта і вміщуючих порід K0. Це виражається у збігу форми графіків, розташуванні їх екстремумів, збереженні тенденцій зміни. Виконаний надалі статистичний аналіз показав, що у всіх випадках залежність U = f(K0) апроксимується прямою лінією (рис. 4). При цьому коефіцієнт кореляції графіків складав не менше 0,67. Отже, реальна конвергенція контуру штреків лінійно пов'язана з величиною критерію тектонічного формозмінення масиву K0, який відображає рівень вихідного силового поля в масиві до проведення в ньому виробок. Цей зв'язок дозволяє удосконалювати відомі методи прогнозування проявів гірського тиску в підготовчих виробках.

Встановлена залежність конвергенції контуру ділянкових підготовчих виробок від величини критерію тектонічного формозмінення масиву була використана для розвитку нормативного методу прогнозування зсувів ділянкових виробок, які підтримуються поза зоною впливу очисних робіт (методу ВНДМІ). Суть модернізації полягає в тому, що вплив форми залягання масиву і збільшення рівня тектонічних напружень враховується шляхом зміни розрахункової глибини розробки Hр, яка залежить від величини критерію формозмінення K0. Функція Hр = f(К0) для умов конкретного шахтопласта визначається на основі аналізу даних інструментальних спостережень у виробках. При цьому вимірюються швидкості зсувів порід їх контуру на ділянках з різними значеннями K0. Алгоритм цих розрахунків обґрунтований і наведений у дисертації.

Рис. 4. Зміни вертикальної конвергенції U контуру пластових конвеєрних штреків, що підтримуються поза зонами впливу очисних робіт, із збільшенням критерію K0: 1 і 2 — відповідно 10-й і 9-й західні; 3 — 10-й східний; 4 — 12-й західний

На рис. 5 показані результати прогнозу конвергенції в конвеєрних штреках пласта l1, які отримані з використанням нормативної і модернізованої методик. Їх аналіз показує, що розрахунки з використанням експериментально встановленої залежності Hр = f(К0) добре узгоджуються з фактично зміряними величинами конвергенції порід в підтримуваних штреках. Розузгодження прогнозних і реальних зближень порід покрівлі і ґрунту не перевищує 28%, а коефіцієнт кореляції на різних ділянках складає не менше 0,69.

Рис. 5. Графіки зміни вертикальної конвергенції виробок пласта l1 шахти ім. О.Ф. Засядька: Uн — нормативний метод; Uпр — розроблений метод; U —графік фактичних вимірів; а — 9-й західний штрек; б — 10-й східний конвеєрний штрек; в — 10-й західний конвеєрний штрек; г — 12-й конвеєрний штрек

Таким чином, вперше на основі шахтних інструментальних спостережень була встановлена нова особливість проявів гірського тиску у пластових підготовчих виробках, що полягає в лінійному збільшенні швидкості конвергенції порід їх контуру при підтриманні поза зоною впливу очисних робіт із зростанням градієнта головних кривин поверхні залягання масиву у даній точці. Урахування цієї особливості дозволило скоректувати нормативний метод прогнозу стійкості виробок та істотно підвищити його достовірність стосовно відробки плікативно порушених вугільних пластів.

У п'ятому розділі наведені особливості впливу форми природної поверхні гірського масиву на стійкість порід безпосередньої покрівлі очисних вибоїв, що відробляють запаси в природних аномальних зонах.

Методика досліджень полягала у графічному суміщенні зон обвалень порід покрівлі з картами зміни градієнта головних кривин K0 у межах відроблених ділянок і в їх статистичній обробці. Вихідні дані для розрахунків вибиралися з планів гірничих виробок.

Дослідження виконувалися в умовах двох шахтопластів: l1 шахти ім. О.Ф. Засядька і m3 шахти ім. В.М. Бажанова. У безпосередній покрівлі першого пласта в основному залягає міцний (70–80 МПа) і потужний (13–30 МПа) піщаник, що має категорію за стійкостю Б3 – Б4 і А3 – за обрушуваністю. Покрівля пласта m3 представлена нестійким аргілітом (Б2). Його потужність змінювалася у межах площі шахтного поля від 13 до 14 м. Міцність на стиснення складала приблизно 30 МПа. Таким чином, дослідження виконувалися у досить характерних для шахт Донбасу умовах. Всього були проаналізовані площі вироблених просторів 39 очисних вибоїв, відроблених з використанням приблизно