Донецкий Национальный Технический Университет

Кафедра горной геомеханики

МИРОШНИЧЕНКО ИВАН АЛЕКСАНДРОВИЧ

Тема магистерской диссертации :

"Исследование влияния пликотивной нарушенности на устойчивость пластовых подготовительных выработок в условиях А.П. "Шахта им. А.Ф. Засядько""

Руководитель : проф. к.т.н. Гавриш Николай Николаевич

Главная страница ДонНТУ            Страница магистров ДонНТУ            Поисковая система ДонНТУ

   Мотивация работы. Повышение эффективности и безопасности добычи угля на шахтах Донбасса требует совершенствования методов прогнозирования геомеханических условий отработки пологих угольных пластов на глубинах более 1000м. Одним из основных факторов, предопределяющих исходное напряженно - деформированное состояние пласта и вмещающих пород, является пликативная нарушенность (складчатость) характерная для большинства шахтных полей Донбасса.

   Анализ технологической и геолого-маркшейдерской документации действующих шахт показывает, что в ней в недостаточной мере учитывается складчатость отрабатываемых пластов. Гипсометрические планы рельефа залегания угольных пластов строят по данным разведочного бурения, которое осуществляется по весьма редкой сетке. При этом из-за искривления скважин неизбежны достаточно большие ошибки определения координат точек подсечки угольного пласта. Поэтому гипсометрические планы не в должной мере отражают особенности залегания и складчатости разрабатываемых угольных пластов. В свою очередь это приводит к погрешностям при составлении планов горных работ, разработке паспортов производства подготовительных и очистных работ и т.д.

   В ранее выполненных исследованиях влияние складчатости на условия отработки пластов изучено недостаточно. В публикациях отражены лишь отдельные попытки связать параметры изменения залегания угольных пластов с их выбросоопасностью и наличием дизъюнктивных (разрывных) геологических нарушений. Кроме того, нет исследований о влиянии складчатости на устойчивость подготовительных и очистных выработок. Вышеизложенное обуславливает необходимость создания нового малозатратного метода описания пространственных залеганий угольных пластов, предопределяющих геомеханические условия их отработки.

   Целью работы является обоснование метода описания пространственного залегания и прогнозирование исходных геомеханических условий отработки пологих угольных пластов.

   Задачи исследований. Поставленная цель предопределила необходимость решения следующих задач: 1. Обосновать метод описания складчатости отрабатываемых пологих угольных пластов, позволяющий определять их кривизну. 2. Обосновать критерий оценки сложности рельефа залегания пласта, позволяющий прогнозировать условия его отработки в пределах его части или ы целом шахтного поля. 3. Установить особенности влияния кривизны рельефа залегания складчатых угольных пластов на геомеханические условия их отработки.

   Научная новизна полученных результатов. 1. Впервые обоснован критерий оценки рельефа залегания пласта как величины геометрической суммы главных кривизн в рассматриваемой точке горного массива. 2. Экспериментально в натурных условиях подтверждена существенная взаимосвязь кривизны рельефа залегания пласта и проявлений горного давления при ведении горных работ (увеличении смещении пород контура выработок, относительной площади вывалов пород в лавах, локальная приуроченность газодинамических явлений к зонам высоких значений кривизны залегания пластов).

   Практическое значение работы состоит в разработке метода по визуализации рельефа залегания пологих угольных пластов и рекомендаций прогнозу геомеханических условий их отработки.

   Прогноз рельефа залегания пласта и методика прогноза смещений пород контура пластовых выработок использованы при разработке паспортов отработки 11-й западной лавы пласта l₁ и проведении ее конвейерного штрека в условиях шахты им. А.Ф.Засядько.

   Апробация работы. Основные научные и прикладные результаты работы были доложены и обсуждены на заседаниях технических советов шахт им. А.Ф.Засядько, им. В.М.Бажанова ГП «Макеевуголь». Они были одобрены на международных научно-практических конференциях «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2003) и «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века» (Севастополь, 2003).

   Публикации. Основные научные и прикладные результаты работы опубликованы в 7 статьях в специализированных журналах, которые утверждены ВАК Украины.

   Введение

   В современной геологии для характеристики складчатых структур горного массива применяются термины «пликативная нарушенность» и «складчатость». Под пликативной нарушенностью (от лат. pliko — складываю) понимают нарушения первичного залегания (дислокации) горных пород, приводящие к возникновению изгибов разного масштаба и изменению формы без разрыва сплошности, а под складчатостью - геологические процессы, которые обуславливают возникновение складок горных пород различной формы и масштаба [1]. Оба понятия используют как взаимозаменяемые. Однако первое является более общим, т.к. подразумевает под собой не только различные складки, но и связные нарушения типа разлинзований [6].

   Наличие складчатости на достигнутых в настоящее время глубинах разработки не может быть объяснено влиянием экзогенных (внешних) процессов. Эти процессы обусловлены действием сил тяжести и имеют нетектонический характер. Поэтому они преимущественно определяют рельеф поверхности Земли и служат причиной разнообразных оползней, движений ледников, изгибов слоев на склонах и т.п. [1]. Пликативная же нарушенность (складчатость) возникает в результате действия процессов эндогенного характера. Она проявляется на периферии геосинклиналей в виде узких линейных складок значительной протяженности, нередко осложненных надвигами. Происхождение данных нарушений связано с явлением горизонтального сжатия или столкновения (коллизии, субдукции) сближающихся литосферных плит в зоне сопряжений (конвергенции). Не менее основательной причиной могут быть процессы подъема толщ, испытывающих глубинный метаморфизм, с последующим увеличением их объема и всплыванием гранитно-гнейсовых куполов. Второй механизм мог сменять первый как во времени, так и по мере погружения толщ в область высоких температур. Эти процессы были более длительными, нежели экзогенные. Зачастую они начинались и протекали на дне морских бассейнов в условиях погружения, отражаясь, таким образом, на изменении мощности и фракции осадков, создавая на рельефе дна соответственно возвышенности и впадины [2].

   Само слово «рельеф» было заимствовано из французского языка (relief), который, в свою очередь, воспринял его из итальянского (relevo), восходящего, как известно, к латыни. Именно в языке Древнего Рима данный термин (relevo) и приобрел свое первое осмысление. Он стал базовым в теории искусства Древнего Рима и обозначал разновидность скульптуры, где «… изображение располагается на плоскости, образующей фон…Формы рельефа варьировались в зависимости от его назначения и положения на архитектурной плоскости (фриз, фронтон, плафон и т.п.). По высоте и глубине изображения рельефы подразделяют на низкие (барельеф), высокие (горельеф), углубленные и контррельеф [6].

   Выполненные на кафедре горной геомеханики исследования [2] раскрыли достаточно тесную прямую связь между имеющейся на разрабатываемом пласте складчатостью и расположением зон, аномальных по проявлениям горного давления. В результате натурных исследований было установлено, что повышение конвергенции контура подготовительных выработок, увеличение относительной площади вывалов в очистных забоях и рост интенсивности газодинамических явлений приурочены к изменениям залегания разрабатываемого пласта, которые характеризуются повышенной кривизной его поверхности. Эта поверхность строится по данным разведочных скважин и маркшейдерских замеров в подготовительных выработках путем аппроксимации их глубинных отметок. Авторы называют ее рельефом залегания угольного пласта[6].

   Употребление в новом понятии известного термина «рельеф» не противоречит классической (изначальной) его трактовке. Во-первых, рельеф залегания отражает неровности или выпуклости поверхности пласта. Во-вторых, он близок по форме к плоскости, что имеет близкую аналогию с выпуклым изображением. В-третьих, рельеф залегания представляет собой сложную объемную поверхность, которая является границей соприкосновения угольного пласта с вмещающими осадочными породами. Как видно, противоречие имеется только с географической трактовкой термина, имеющей более узкий смысл[6].

   Однако такое же расхождение заложено и в известных для всех горняков (и ставших давно «горными») терминах «гипсометрия пласта» и «гипсометрический план». Дело в том, что по изначальному определению «гипсометрия (от слова hypsos - высота) - это измерение высоты местности». А под термином «гипсометрический план» понимают «геометрически точное изображение рельефа с помощью горизонталей» [4]. Эти несоответствия давно уже «не режут глаз» маркшейдерам, геологам и горнякам, которые считают эти термины исконно своими[6].

   Итак, под рельефом залегания угольного пласта будем понимать сложную объемную поверхность, отражающую совокупность его неровностей, т.е. складчатость, которая сформировалась при осадконакоплении и в результате тектонических процессов[6].

   Условия и методика шахтных исследований

   Влияние кривизны рельефа залегания К₀ на величину конвергенции пластовых подготовительных выработок исследовалось в условиях 10-го восточного конвейерного штрека пласта l₁ шахты им. А.Ф. Засядько. Выработка сечением 13,3м² была проведена смешаным забоем с подрывкой пород кровли и почвы. Глубина ее заложения составляла 1100м, мощность пласта угля - 1,6…1,8 м, угол его падения - 10…12°. Вмещающие породы представлены неустойчивыми глинистыми и песчанистыми сланцами, пласт опасен по внезапным выбросам, марка угля Ж. В выработке были установлены конвейер СП-202 в качестве перегружателя и 1Л-100 для транспортировки угля по штреку. Крепление осуществлялось трехзвенными металлическими арками из профиля СВП-33 с железобетонной затяжкой, расстояние между рамами 0,5м. Система отработки столбовая с отработкой лавы обратным ходом. В целом можно говорить о том, что условия поддержания 10-го восточного конвейерного штрека являются типичными для шахт Донецко-Макеевского района.

   Инструментальные замеры вертикальной конвергенции контура штрека выполнялись путем измерений высоты ее крепи. Общая длина участка шахтных наблюдений по каждой из выработок составила от 800 до 1100м. Интервал между замерными точками - 10м, т.е. при плотности крепи 2 р/м измерения конвергенции выполнялись через каждые 20 рам.

   Результаты шахтных инструментальных наблюдений

   По результатам замеров был построен график, представленный на рис. 1, отображающий изменения вертикальной конвергенции штрека по его длине в течение того же периода времени. Его анализ показывает, что при поддержании штрека вне зоны влияния очистных работ скорость смещений была достаточно низкой и изменялась в пределах 0,2 до 0,4 мм/сут. Разброс конвергенции на соседних участках достаточно большой. Однако прослеживалась и определенная тенденция взаимосвязи кривизны рельефа залегания К₀ (Рис. 2) и конвергенции. Для ее выявления упростим полученный график путем аппроксимации последовательности экспериментально полученных точек по известной методике [5].

   Аппроксимирующие кривые, полученные методом наименьших квадратов с использованием полиномов со степенями от 1 до 6, имеют разную форму, и установить адекватность отражения ими графика 1 можно только путем определения коэффициента корреляции между экспериментальными и расчетными данными. Такая процедура была выполнена с использованием пакета MSExcel.

   Анализ данных показывает, что величина коэффициентов корреляции графиков закономерно увеличивается с ростом степени от 1 до 6. Это позволяет сделать вывод, что наиболее близко исследуемую совокупность точек отражает полином 6-й степени рис. 3. Это дает возможность в дальнейшем использовать его как достаточно достоверное отражение реальной зависимости.

   Для выявления качественной связи между вертикальной конвергенцией контура выработки и кривизной рельефа залегания К₀ изобразим графики (рис. 2 и рис.3) в общих координатных осях.

   Совместный анализ построенных графиков (рис. 4) показывает, что изменение вертикальной конвергенции контура по длине выработки существенно зависит от кривизны рельефа залегания пласта. Это выразилось в примерном совпадении формы графиков U=f(L) (кривая 1) и U=f(К₀) (кривая 2). Кривые изменения конвергенции и кривизны рельефа К₀ возрастают и убывают на одних и тех же участках и имеют экстремумы в одних и тех же точках штрека.

                                 Кривая 1 - Вертикальные смещения контура выработки в 10-м восточном конвейерном штреке пласта l1.                                             Кривая 2 - Кривизна рельефа залегания пласта.

   Таким образом, в результате эксперимента была выявлена достаточно тесная качественная связь между величиной вертикальных смещений на контуре пластовых выработок, поддерживаемых вне зоны влияния очистных работ, и общей кривизной рельефа залегания пласта К₀.

   Необходимо отдельно отметить тот факт, что невозможно сопоставлять в одном масштабе значения кривизны K₀ и конвергенции U, т.к. они имеют разные размерности. В связи с этим на первом этапе отмечается только их качественное совпадение.

   На основе выполненных исследований было установлено, что повышенные вертикальные смещения контура подготовительных выработок, поддерживаемых вне зоны влияния очистных работ, могут быть обусловлены не только известными влияющими факторами (глубина, прочность пород, тип крепи, время поддержания и т.д.), но и аномалиями тектонического поля напряжений в пликативно нарушенных участках вмещающего массива, характеризующихся высокой кривизной К₀.

   Список литературы

1. Горная энциклопедия / Гл. ред. Е.А.Козловский. - М.: Советская энциклопедия, 1989. - Т.4. - 623 с.
2. Прогнозирование геомеханических условий разработки пологих угольных пластов / Под общ. ред. В.И.Пилюгина. - Донецк: ДонНТУ, 2004. - 145 с.
3. Нейман М.Л. Скульптура // Большая Советская Энциклопедия: в 30-ти томах / А.М. Прохоров. - М.: Советская энциклопедия, 1975. - Т.23. - С. 534-535.
4. http: // www.gtz.de/lexinfosys/document.asp?id=6944
5. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. - М.: Наука, 1968. - 720 с.
6. Канд.техн.наук Пилюгин В.И. (ДонНТУ) Эволюция термина: от «рельефа» к «рельефу залегания»