Зміст

• Вступ
• 1.Оглядова інформація
• 1.1.Огляд досліджень за темою в ДонНТУ
• 1.2.Огляд досліджень за темою в Україні
• 1.3.Огляд досліджень за темою у світі
• 2.Основний зміст роботи
• Висновки
• Список джерел

Вступ

Угольні шахти України відпрацьовують запаси на глубинах, средня відмітка яких досягла 700 м. Значна частиан шахт відпарцьовує поклади, які залягають на глубинібольш 1000 м. На таких глибинах, рівень гірничого тиску дуже великий. Вертикальний компонент напружень в нетронутому масиві за межами впливуочисних робіт перевищує 25мкПа. При відпрацюваннісвити сближених пластів виникають зони накладення ПГТ, в якому масив гірничих порід має підвищену склонністьдо викидонебезпеки. У зв'язку з цим дослідження таких зон є актуальною задачею.

Ціль работи. Тому цілью данної работи являється уточнення параметрів меж зон підвищеного гірничого тиску при різній конфігурації вироблених просторів в процесі розробки свити сближених пластів та удосконалення способів боротьби с газодинамічними явленнями та прогнозом їх,уточння висновку заходів по запобіганню газодинамічних явлень.

Наукова задача полягає в підвищенні безпеки ведення гірничих робіт ,за рахунок підвищення достовірності прогнозу зон півищеного гірського тиску за допомогою визначення початкової швидкості газовиділення.

Наукові положення,наукова новизна. Будуть уточнені коэфіціенти концентрації напруг при формуванні целіків у вироблених просторів,відроблених на суміжних покладах .Будуть обосновані нові принципи прогноза газодинамічого явлення.

 

1. Оглядова інформація

1.1. Огляд досліджень по темі в ДонНТУ

Інститут гірничої справи та геології Донецького національного технічного університету є однією з ведучої науковоїюорганізацією, яка займається питаннями гірського тиску в масивігірських порід при веденні виямочних робіт.

Кафедра маркшейдерської справи традиційно займається питаннями перерозподілу сдвигів напруг при розвитку гірничих робіт в свиті сближених пластів.

1.2. Огляд досліджень по темі в Україні

На території України дослідженнями питань перерозподілу сдвигів напруг при розвитку гірських робіт в свиті сближених пластів займається кафедра маркшейдерскої справи Днепропетровського Національного Гірничого Університету та відділ гірського тиску УкрНІМВ НАН України.

1.3.Огляд досліджень по темі у світі

Питаннями здвигів та деформацій земної поверхні займається багато вчених Російської Федерації.

– Санкт-Петербургський державний гірничий інститут імені Г.В. Плеханова;

– Південно-Російський державний технічний університет (Новочеркаський політехнічний інститут);

– Московський державний гірничий університет.

2.Основний зміст роботи

Нормативні отраслеві методіки дозволяють визначити ширину зони ПГТ, базуючись на эмпіричному підході через розрахунок довжини зони опорного тиску від одиночної лави. Такий спрощений підхід приводе до того, що прогнозні розміри зон ПГТ відрізняються від фактичних в декілька раз. Інформація про величину концентрації гірського тиску в зонах ПГТ, має велику практичну користь.Цей параметр використовується при оцінці устойчивості підготовчих та очисних виробок, прогнозі газодинамічних явлень. Однак такий параметр можна визначити тільки за допомогою числених методів. Крім того, тільки трьохмірні численні моделі здатні врахувати просторовий ефект при розподілі гірського тиску в окрузі выробленого простору важкої форми. Особливо це актуально при одночасній розробці свити сближених пластів. В данній статті розкриівається один із можливих подходів при розрахунку розмірів та величин концентрації напруг в зонах ПГТ с урахуванням просторового характеру перерозподілу напруг в процесі розвитку очисних робіт в свиті сближених угольних покладів.

Геомеханічна модель для розрахунку трьохвимірного розподілу напруг в масиві побудована наступним чином. Закономірності перерозподілу напруженно-деформованого стану досліджувались за допомогою комп'ютерного моделювання.

Представимо товщу гірських порід, як товсту плиту, що спирається на неоднорідну підставу 3 і що прогинається під власною вагою q (мал. 1).

Плита спирається на масив, жорсткість якого 3 залежить від наявності вироблених просторів і потужності m пластів, що виймається. Позиціями 1 і 2 вказані раніше вироблений простір і те, яке формується примикаючою лавою, що діє.

На земній поверхні в процесі відробітку лав 4 формується мульда зрушень 5. Розподіл напруги і деформацій в товстій плиті визначається за допомогою тривимірних моделей. Замінивши товсту плиту тонкою, можна підібрати такі еквівалентні величини жорсткості підстави і деформаційних параметрів плити, при яких деякі параметри напружений-деформованого стану відповідатимуть фактичним.

За допомогою такої моделі можна з високою достовірністю прогнозувати прогини, напругу і просторовий розподіл гірського тиску в порідних шарах в межах висоти товщі, що підробляється, рівної 150 m.

 

Мал. 1. Розрахункова схема для визначення напряженно-деформованого стану товщі гірських порід, що підробляється,
1 — раніше вироблений простір
2 — лава, що діє ,
3 — підстава,
4 — земна поверхня ,
5 — мульда

Завдання про прогин плити-шару над виробленими просторами вирішується шляхом чисельного диференціювання рівняння в приватних похідних методом кінцевих різниць.

(1)

 

де ω— прогини точок плити;

q– нормальна до серединної плоскості і розподілена по поверхні плити прігрузка;

K– коефіцієнт жорсткості підстави, що змінюється залежно від наявності або відсутності виробленого простору

D– циліндрова жорсткість плити;

(2)

де h– потужність плити;

E— приведений модуль деформації шаруватого масиву;

μ– коефіцієнт Пуассона вміщаючих порід.

У результаті отримують опускання підробленої товщі на рівні верхнього кордону основної крівлі пласта.

Для обліку механічних властивостей всіх шарів, складових товщу, їх величини приводилися до серединної плоскості плити-шару по наступній залежності:

(3)

де E_i- модуль деформації i-го шаруючи;

p_i — вагу впливу i-го шаруючи, який знаходиться по формулі

(4)

де h_i — потужність i-го слоя; y_i — відстань від центру тягаря i-го шаруючи до серединної плоскості.

Залежність, згадана вище, дозволила врахувати властивості всіх шарів підробленої товщі. Дана модель враховує також релаксацію напруги і повзучість порід, що складають масив, що підробляється. Це є істотною перевагою вибраної моделі, оскільки динамічні процеси проявів зрушення гірських порід є вираженими нерівноважними фізичними процесами і істотно залежать від часу.

Приклад розрахунку параметрів зон ПГД наводиться для випадку одночасної розробки чотирьох пластів, що зближують, двома сусідніми шахтами. Шахта ім. Засядько розробляє в східної межі свого поля три вугільні пласти: k8, m3 і l₁. Існує значна вірогідність того, що поле напруги довкола вироблених просторів, сформованих шахтою ім. Засядько обурюється очисними роботами сусідньою погашеною шахтою «Червоногвардійська».

На малюнку 2 показаний поєднаний план гірських вироблень по двох сусідніх шахтах. Всі вироблені простори, сформовані по всіх чотирьох вугільних пластах, були згруповані так, щоб зібрати їх по періодах відробітку. Так, перша група вироблених просторів зібрана з тих, які відпрацьовані в 70-х роках, друга в першій половині 80-х і так далі, аж до справжнього моменту. Чим ближче до поточної дати, тим точніше групуються вироблені простори. Це означає, що останні вироблені простори введені від кожної лави, відпрацьованої протягом 2005—2007 року. Всі вироблені простори зібрані в 11 груп, що включають 23 лави. Ці групи вводилися в розрахункову схему в ретроспективному порядку, тобто в тому порядку, в якому вони відпрацьовувалися в реальності. Таким чином, моделювалася реальна черговість відробітку всіх лав, що дало можливість адекватно описати складну конфігурацію виробленого простору, що формується по всіх зближених пластах.

Рис.2. Схема совмещенного плана горных выработок

На отриманій моделі показана еволюція напруженого стану масиву в плоскості вугільного пласта 11. При цьому з 11 розподілів вибрані лише характерні етапи, на яких картина розподілу гірського тиску мінялася вельми істотно.

Характерними ознаками розподілу є пікові значення концентрації вертикальної компоненти напруги з велічиной концентрації більше 3. Аналіз показує, що ці списи приурочені до областей накладення зон опорного тиску на вугільних пластах, що зближені.

Друга характерна межа розподілів відноситься до зон розвантаження, які пов'язані з окремими виробленими просторами, або з комбінаціями вироблених просторів на сусідніх пластах, при яких ці вироблені простори поєднані в горизонтальній проекції.

Третя особливість пов'язана з релаксаційними процесами, які приводять до згладжування градієнтів гірського тиску в часі. В результаті цього списи концентрації напруги згладжуються з часом, а міра розвантаження зменшується. На малюнку 3 показані характерні етапи, на яких виділені лише зони ПГД. Зіставлення розподілів зон ПГД показує, що конфігурація зон ПГД, їх розміри і величина концентрації напруги міняється у міру розвитку очисних робіт в часі та просторі.

При цьому залежно від співвідношення вироблених просторів в часі і просторі на одній і тій же ділянці аналізованої плоскості (в даному випадку пласта l₁) можуть виникати зони ПГД, зони розвантаження або нічого не змінюватися.

Характер видозміни зон ПГД в процесі розвитку очисних робіт у зближених пластах (4 слайда, 7 повторень, 199 кб)

На даний момент найбільш висока концентрація напруги обумовлена, як правило, виробленим простором, який відпрацьований останнім на пласті, в плоскості якого виробляється розрахунок. Так на даний момент максимальна концентрація напруги, рівна 3,17, приурочена до кутової ділянки краєвої частини пласта l4 в крапці 1. Аналіз поєднаного плану гірських вироблень свідчить, що вказаний максимум обумовлений не лише концентрацією напруги від виробленого простору у власному пласті, але і накладенням зон опорного тиску в суміжному вугільному пласті.

Характерна також тенденція до деякого запам'ятовування зон підвищеної концентрації напруги. Так на попередньому етапі в центрі аналізованої ділянки діяв підвищений гірський тиск. У крапці 2 концентрація гірського тиску складала 2,19. Дана область ПГД обумовлена накладенням зон опорного тиску від вироблених просторів, залишених на пласті k8 і пласті l4. Після надпрацювання цієї ділянки 12-ою східною лавою пласта l₁ зона ПГД зникла, проте на цьому місці напруга близька до геостатічекому рівня (див. крапку 3 на нижньому фрагменті мал. 3). Форма ізоліній гірського тиску явно збігається з формою зони ПГД на середньому фрагменті в околиці крапки 2. Це свідчить про деяку спадковість процесу перерозподілу напруги при розвитку очисних робіт в свиті вугільних пластів, що зближують. Така спадковість експериментально доведена в роботі [3]. У цитованому джерелі показано, що на тих ділянках вугільного пласта, де раніше протягом двох років і довше діяла зона ПГД, після надпрацювання зберігається вірогідність газодинамічних явищ. Таким чином, отримані результати чисельного моделювання узгоджуються з виводами, зробленими раніше.

Характерна також ще одна закономірність, яка має місце при розвитку очисних робіт в свиті пластів, що зближують. В процесі формування нових вироблених просторів, раніше існуючі зони ПГД на власному і пластах, що зближують, мають тенденцію збільшувати концентрацію напруги. Про це можна судити по порівнянню зон ПГД (крапки 4 і 5) на середньому і нижньому фрагменті розподілів малюнка 3. Головна умова цього ефекту полягає в тому, щоб новий вироблений простір не перекривав зони ПГД, що раніше діяли. Іншими словами ці зони не повинні над— або підроблятися новою лавою. Даний ефект також відображає процес спадкоємства при перерозподілі гірського тиску при розвитку очисних робіт.

Для перевірки достовірності отриманих результатів застосовувався відомий підхід, при якому величина концентрації напруги в зонах ПГД порівнювалася із швидкістю конвергенції на контурі підготовчих вироблень. Для цього використовувалися результати моніторингу конвергенції на контурі підготовчих вироблень, пройденних по пласту l₁ в околиці 12-ої східної лави. Це були конвеєрні штреки, ухили і заїзди на вказані вироблення. Для порівнянності результатів інструментальних спостережень всі станції вимірів приводилися до однакових умов по міцності вміщаючих порід. За еталон бралися станції, закладені у виробленнях пластів. Результати спостережень, виконані в польових виробленнях, коректувалися шляхом множення коефіцієнта подібності, рівної співвідношенню средневзвешенной міцності вміщаючих порід. Так, наприклад, при збільшенні міцності бічних порід в польовому заїзді в 2,5 разу в порівнянні з міцністю бічних порід конвеєрного штреку пласта, швидкість конвергенції бічних стінок вироблення збільшувалася у відповідну кількість разів. Це дало можливість зіставити результати комп'ютерного моделювання з даними шахтних інструментальних спостережень.

У таблиці 1 приведені результати зіставлення величини концентрації гірського тиску і швидкості конвергенції бічних стінок вироблень у відповідних крапках. Всі вироблення знаходилися приблизно на одній глибині в районі 12-ої східної лави, що дало можливість зіставляти дані вимірів і моделювання.

 

Таблиця 1 — Результати зіставлення розрахункової концентрації гірського тиску і виміряної швидкості конвергенції на контурі підготовчих вироблень

Етап розвитку очисних робіт	Концентрація гірського тиску в зоні ПГТ	Приведена швидкість конвергенції, мм/доб	Співвідношення Концентрація/швидкість
9	0,27	0,2	1,35
10	1,84	1,1	1,67
11	1,59	0,7	2,27
11	2,33	1,9	1,23

Середня величина співвідношення величини концентрації до швидкості конвергенції склала 1,63±0,47. Це означає, що коефіцієнт варіації результатів зіставлення дорівнює 28%, що можна вважати сповна прийнятним. Це свідчить про достовірність результатів моделювання і надійності зроблених виводів.

 

ВИСНОВКИ

Таким чином, виконані дослідження дозволили встановити певну закономірність спадкоємства в еволюції зон ПГД при розвитку очисних робіт в свиті пластів, що зближували. Це спадкоємство виявляється в тому, що при над- і підробці місць високої концентрації напруги (більше 2,5) у виробленому просторі под- або надрабативающей лави залишається зона, яка зберігає конфігурацію колишньої зони ПГД та в якій гірський тиск близький до геостатічеському рівня. Якщо раніше існуючі зони ПГД на власному або суміжному пласті, що зближує, не потрапляють під плоскість або над плоскістю проекції нового виробленого простору, у вказаних зонах концентрація зростає в 1,1-2,1 разу після формування нового виробленого простору.

 

СПИСОК ДЖЕРЕЛ

1. КД 12.01.01.201-98. Розташування, охорона і підтримка гірських вироблень при відробітку вугільних пластів на шахтах. Методичні вказівки. 1998.

2. Правила охорони споруд і природних об'єктів від шкідливого впливу підземних гірських розробок на вугільних родовищах. – М.: Надра, 1981. – 288 с

3. Ільяшов М.А. Безпечна розробка свит вугільних пластів, схильних до газодинамічних явищ, в зонах підвищеного гірського тиску. – Донецьк: Донбас, 1998. – 175 с.

4. Чернов О.Н.,Пузирев В.Н. Прогноз раптових викидів вугілля і газу. М., «Недра»,1979.296 с.

5.Проблеми гірського тіську.Випуск 12/ Під заг.ред.О.А.Мінаєва. Донецьк,ДонНТУ,2004.-202 с.

6.Проблеми гірського тіську.Випуск 10/ Під заг.ред.О.А.Мінаєва. Донецьк,ДонНТУ,2003.-227 с.

7.Отечественная маркшейдерія і гірська геомеханіка/Черінь ред. Щадова М.І.-М.:Недра,1987.253 с.іл.

8.Айруни А.Т.Прогнозірованіє і запобігання газодинамічним явищам у вугільних шахтах.-М.:Наука,1987.-310 с.

9.Теорія вірогідності.Вентцель Е.С. www.alleng.ru

10.Инструкция по безпечному веденню гірських робіт на шахтах. www.complexdoc.ru Нормативні документи по гортехнадзору

11.Доповіді науково-практичної конференції студентів,аспірантів та молодих вчених «Маркшейдерське забезпечення геотехнологій»,19-20 травня 2011 року.-Д:Національний гірничий університет,2011.-230 с.