Обґрунтування методики визначення місцезнаходження областей локалізації геодинамічних явищ при інтенсивному відпрацюванні вугільних пластів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

Назимко Катерина Вікторівна

УДК 622.831.3.02

ОБҐРУНТУВАННЯ МЕТОДИКИ ВИЗНАЧЕННЯ МІСЦЕЗНАХОДЖЕННЯ ОБЛАСТЕЙ ЛОКАЛІЗАЦІЇ ГЕОДИНАМІЧНИХ ЯВИЩ ПРИ ІНТЕНСИВНОМУ ВІДПРАЦЮВАННІ ВУГІЛЬНИХ ПЛАСТІВ

Спеціальність 05.15.09 - Механіка грунтів та гірських порід

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українському державному науково-дослідному і проектно-конструкторському інституті гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України (м. Донецьк).

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент Грищенков Микола Миколайович, завідувач кафедри маркшейдерської справи Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Скіпочка Сергій Іванович, провідний науковий співробітник відділу механіки гірських порід Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ); доктор технічних наук, старший науковий співробітник Скіпочка Сергій Іванович, провідний науковий співробітник відділу механіки гірських порід Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ); доктор технічних наук, старший науковий співробітник Скіпочка Сергій Іванович, провідний науковий співробітник відділу механіки гірських порід Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ);

Захист дисертації відбудеться “ 16 ” червня 2006 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49005, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19).

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

вивільнення потенційна енергія відпрацювання лава

Актуальність теми. Сучасна ринкова економіка вимагає підвищення ефективності вугільної промисловості України за рахунок збільшення інтенсивності видобутку вугілля і продуктивності очисних вибоїв. Відпрацювання високонавантажених лав супроводжується динамічними зсуваннями товщі, що підроблюється, особливості яких раніше не виявлялися при помірних темпах посування. Так динамічні зсування масиву, що вміщає потужні шари міцних пісковиків, супроводжуються сейсмічними коливаннями товщі, що підроблюється, які раніше практично не досліджувалися. Разом з тим, сейсмічні коливання товщі не тільки являють собою певну небезпеку для наземних споруд, але й можуть бути використані як інформативні параметри процесу динамічної стадії зсувів. Вивчення таких особливостей і використання їх для попередження складних геодинамічних явищ є актуальною науково-технічною задачею вугледобувної промисловості.

Наукова задача, що вирішується в даній роботі, полягає у встановленні закономірностей формування напружено-деформованого стану та його перерозподілу у масивах порід покрівлі, що містить потужний шар міцних порід при інтенсивному веденні гірничих робіт.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконані відповідно до тематичного плану науково-дослідних робіт НАН України згідно пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки „Фундаментальні дослідження з найважливіших проблем природних, суспільних і гуманітарних наук” по тематиці 6/03 (№ ДР 0102U007320).

Метою роботи є обґрунтування методики визначення місцезнаходження областей локалізації геодинамічних явищ при інтенсивному відпрацюванні вугільних пластів.

Основна ідея роботи полягає у врахуванні взаємозв'язку між рівнем і швидкістю зміни еквівалентних напружень, діючих в масиві порід, що підроблюється, та інтенсивністю проявів динамічних зсувів, що виникають внаслідок періодичних обвалень порід покрівлі в лавах.

Об'єктом досліджень є масив, що містить в своїй структурі потужний шар міцних порід і підроблюється довгими очисними вибоями.

Предметом досліджень є поля напружень і деформацій, які формуються унаслідок посування очисного вибою з високою швидкістю.

Основні задачі досліджень полягають в наступному:

1. Геомеханічне обґрунтування і розробка методики прогнозування інтенсивності вивільнення потенційної енергії при підробці масиву порід, що вміщають шари порід високої міцності.

2. Перевірка достовірності результатів прогнозування і встановлення закономірностей перерозподілу показника інтенсивності вивільнення потенційної енергії в процесі відпрацювання лав.

3. Розробка методики прогнозу місцезнаходження порожнин в породному масиві та її промислова перевірка.

У роботі використані наступні методи досліджень: інструментальні вимірювання осідань реперів профільних ліній над діючими очисними вибоями для встановлення параметрів динамічної мульди зсування, по яких настроюються параметри моделі; інструментальні спостереження за конвергенцією порід на контурі підготовчих виробок для підтвердження достовірності прогнозу напруженого стану масиву гірських порід; метод кінцевих різниць для прогнозу напруженого стану порідного масиву, що підроблюється, і розподілу інтенсивності вивільнення потенційної енергії над діючим очисним забоєм; метод дискретних елементів для моделювання динаміки обвалень і зсувів підробленої товщі масиву порід; метод контролю сейсмоакустичної активності порідного масиву для підтвердження достовірності результатів розрахунку інтенсивності вивільнення потенційної енергії.

Наукові положення, що виносяться на захист:

- інтенсивність вивільнення потенційної енергії в породному масиві, що підроблюється, пропорційна величині еквівалентних напружень в потужному порідному шарі, що згинається, та швидкості зростання цих напружень, що дозволяє прогнозувати геодинамічні явища при інтенсивному відпрацюванні вугільних пластів;

- максимальне вивільнення потенційної енергії порід основної покрівлі відбувається під дією тимчасового зависання і подальшого обвалення потужних шарів пісковику, що супроводжується виділенням сейсмічної енергії, безрозмірний показник якої перевищує 0,3-0,4, що дозволяє визначити границі і розміри порожнини, яка утворюється під зависаючим потужним шаром пісковику.

Новизна наукових положень полягає в наступному:

1. Одержала подальший розвиток модель динамічних зсувів товщі з урахуванням напруженого стану, який формується при обваленнях потужних зависаючих породних шарів в зоні активних зсувів в умовах інтенсивного відпрацювання пластів вугілля.

2. Вперше встановлений критичний рівень інтенсивності вивільнення потенційної енергії, який дозволяє виділити межі зон зависання потужних шарів пісковику і порожнини розшарування, яка акумулює вибухонебезпечний метан.

3. Уточнена закономірність перерозподілу інтенсивності вивільнення потенційної енергії, згідно якої у момент відходу лави, примикаючої до раніше виробленого простору від розрізної печі на відстань, що дорівнює її довжині, максимум інтенсивності розташований над центром виробленого простору діючої лави, а з подальшим відходом лави максимум інтенсивності переміщується до межі з раніше виробленим простором.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірності перерозподілу інтенсивності вивільнення потенційної енергії в масиві порід покрівлі в процесі відпрацювання лави, яка примикає до раніше виробленого простору.

Практичне значення полягає в розробці методики прогнозу потенційних ділянок розшарування і зависання міцних породних шарів при їх підробці очисним вибоєм, що швидко рухається.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджена: використанням сучасних уявлень про зсування породного масиву і земної поверхні, застосуванням сучасних моделей механіки незворотної деформації твердого тіла і теорії міцності порід; збігом виміряних і розрахункових показників зсувів порідного масиву, що підроблюється, з похибкою, яка не перевищує 25% з надійністю 95%; позитивними результатами промислової перевірки методики прогнозу місцезнаходження порожнин розшарування за інтенсивністю вивільнення потенційної енергії, наведеної очисними роботами, що підтверджується ефективністю роботи дегазаційної свердловини, місцеположення якої визначалося за допомогою розробленої методики.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи здійснена на шахтах “Красноармійська-Західна №1” та ім. Засядько, при виборі місцеположення свердловин дегазації, що пробурюють із земної поверхні над потенційними порожнинами, місцеположення яких прогнозувалося за допомогою методики розрахунку розподілу інтенсивності вивільнення потенційної енергії, наведеної очисними роботами.

Особистий внесок автора в роботу полягає у виконанні експериментальних робіт, розробці моделей і моделюванні динамічних процесів в зоні активних зсувів, формулюванні наукових положень дисертації, обробці і аналізі результатів вимірювань осідань земної поверхні і розрахунків напружено-деформованого стану масиву, що підроблюється, обґрунтуванні методу вибору раціонального місця розташування свердловин дегазації на основі попереднього розрахунку розподілу інтенсивності вивільнення потенційної енергії, наведеної очисними роботами.

Апробація результатів роботи здійснена на: Міжнародній науково-практичній конференції “Современные технологии и оборудование для добычи угля подземным способом” (Донецьк, 2004); “Проблемы безопасной работы горных предприятий” (Макіївка, 2004); “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості - 2005” (Кривий Ріг, 2005); на XV Міжнародній науковій школі “Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках” (Алушта, 2005); науково-технічних нарадах шахт “Красноармійська-Західна №1”, та ім. Засядько, а також ДП “Донецьквугілля”.

Публікації. Результати дисертаційних досліджень опубліковані в 7 статтях, зокрема 4 статті в спеціалізованих збірниках, затверджених ВАК України і 3 доповіді у збірниках матеріалів міжнародних конференцій.

Об'єм і структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновку, списку використаної літератури зі 166 найменувань на 18 сторінках і додатків на 3 сторінках. Основний текст роботи викладений на 145 сторінках машинописного тексту, містить 47 малюнків і 3 таблиці. Загальний об'єм роботи складає 179 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Дослідженням геомеханічних процесів в динаміці при підземній виїмці вугілля займалися Медведчук М.Д., Шашенко, О.М., Бондаренко В.І., Колоколов О.В., Скіпочка С.І., Хозяйкина Н.В., Демченко А.І., які показали, що зі збільшенням інтенсивності відпрацювання вугільних пластів підвищується швидкість конвергенції порід в очисних та виїмкових виробках. Петрук Є.Г., Гавриленко Ю.М., Креніда Ю.Ф., Назаренко В.О., Ларченко В.Г., Медянцев А.М. та ін. показали, що динамічна мульда зсувів на поверхні в порівнянні із стаціонарною виположується, а осідання, нахили і розтягування зменшуються. Ряд зарубіжних учених, наприклад Біалек Є., Срока А., Холла Л., Кратч Г. та ін. встановили інші побічні ефекти, пов'язані із збільшенням швидкості посування лав. Так збільшується стиснення наносів, а також виникає наведена очисними роботами сейсмічність, яка не тільки являє собою певну небезпеку експлуатації наземним об'єктам, але і може слугувати як важливий інформативний показник динаміки активних зсувів. Зокрема сейсмічність наводиться в результаті зависання і подальшого обвалення міцних шарів пісковиків, внаслідок чого утворюються порожнини, які акумулюють газ і воду, що збільшує небезпеку виконання гірничих робіт.

Відсутність надійної методики прогнозування інтенсивності вивільнення потенційної енергії при підробці порідного масиву, що вміщає пласт міцних порід, не дає можливості проводити кількісну оцінку динамічних проявів активних зсувів, зона яких безперервно переміщується вслід за лавою, що швидко посувається. Саме остання обставина робить задачу прогнозу інтенсивності вивільнення потенційної енергії вельми важливою і актуальною.

Геомеханічне обґрунтування і розробка методики прогнозування інтенсивності вивільнення потенційної енергії при підробці масиву порід. Динамічна активність в масиві, що інтенсивно підроблюється лавами, аналізувалася за опублікованими даними моніторингу наведеної очисними роботами сейсмоактивності. Потенційна енергія породних шарів, що підробляються, формується з двох компонент, які залежать від деформації та висоти порожнини розшарування. При обваленні шару потенційна енергія перетвориться в незворотну роботу руйнування, енергію сейсмічних коливань, поверхневу енергію тріщин, тепло. Сейсмічні коливання можуть бути зареєстровані за допомогою інструментальних спостережень. Саме тому вони вибрані як предмет аналізу. При цьому встановлено, що щільність сейсмічної енергії розподілена нерівномірно в просторі. Поблизу очисного вибою сейсмічні імпульси помітно концентруються біля крайових частин виробленого простору лави, оскільки вони генеруються обваленням зависаючих бічних консолей порідних шарів. Проте вище основної покрівлі просторовий розподіл сейсмічних подій стає більш рівномірним і залежить вже від будови товщі та її міцності, а також від конфігурації суцільного виробленого простору.

Оцінена доля потенційної енергії, що виділяється при обваленні завислого шару потужністю 10 м і розмірами в декілька десятків метрів в плані. Величина цієї енергії складає 40 МДж і більше, що добре узгоджується з експериментальними даними. Показано, що максимальна енергія сейсмічних коливань виділяється при обваленні зависань міцних потужних шарів пісковику, тоді як утворення тріщин в зоні динамічного опорного тиску і обвалення консольних зависань генерують меншу величину енергії. Сказане підтверджується результатами моделювання активної стадії зсувів підробленої порідної товщі за допомогою методу дискретних елементів. Моделювання процесу активних зсувів здійснювалося для глибини залягання 800 м, потужності пласта 2,0 м, довжини лави 200 м (рис.1).

Товща, що підроблюється, при цьому містила близько 30% шарів міцного пісковику. Переміщення бічних стінок моделі обмежене в горизонтальному, а нижньої у вертикальному напрямі. Бракуючу вагу вищерозташованої товщі замінювали розподіленим навантаженням на верхній межі моделі. Як показано на фрагменті процес зсування протікав нерівномірно. Кожного разу, коли процес повних зсувів досягав підошви міцного шару, зсування припинялися, виникало зависання вищерозташованої товщі, що видно по горизонтальним ділянкам діаграми зсувів. Потім слідувало обвалення, при цьому у вміщаючому масиві виникали значні прискорення. Величини прискорення областей масиву, що брав участь в зависаннях і подальших обваленнях на 1-2 порядки вищі, ніж прискорення блоків в межах зони опорного тиску у момент виникнення тріщин зрушення. Це означає, що максимальна сейсмічна енергія виділяється у момент обвалення зависаючих міцних породних шарів.

Існуючі на сьогодні математичні моделі не дозволяють безпосередньо вирішити задачу прогнозування динамічної активності товщі порід, що підроблюється, через нереально високу трудомісткість обчислень при моделюванні тривимірних нелінійних перерозподілів напружень і деформацій з урахуванням посування очисного вибою, його примикання до раніше виробленого простору довільної форми і необхідності рішення зв'язаної задачі про руйнування масиву і розповсюдження в ньому сейсмічних хвиль.

На сьогодні відома емпірична формула Біалека Є. для розрахунку інтенсивності сейсмічної енергії. Цей важливий показник динамічності зсувів обчислюється через добуток так званого “індексу деформованості” земної поверхні на його похідну за часом. Як індекс деформованості, використовуються функції осідань і нахилів земної поверхні. Проте ні осідання, ні нахили не характеризують процес динамічних руйнувань. Для ідентифікації руйнування необхідно використовувати відомі критерії міцності, які залежать від діючих напружень. Як такий параметр в даній роботі використане еквівалентне напруження, яке обчислюється за допомогою критерію міцності породи. З урахуванням сказаного формула для розрахунку інтенсивності вивільнення потенційної енергії набуває вигляду:

I = у_e ( dу_e / dt ),

де у_е - еквівалентне напруження, t - час.

Для усунення проблеми розмірності еквівалентні напруження зводилися до розподіленої ваги порідних шарів, а час нормувався з урахуванням періоду посадки основної покрівлі.

Модифікована емпірична формула Біалека Є. спільно з критерієм міцності Шашенка-Парчевського дає можливість уникнути необхідності рішення дуже складної зв'язаної задачі і одержувати інтенсивність вивільнення потенційної енергії (ВПЕ) простим емпіричним шляхом без рішення системи диференціальних рівнянь, що описують розповсюдження сейсмічних хвиль.

Для практичних цілей в більшості випадків немає необхідності знати розподіл енергії по глибині масиву. Так при рішенні задачі про оцінку небезпеки сейсмічних коливань для наземних об'єктів і споруд фахівці оперують щільністю енергії, зведеною до рівня земної поверхні. Те ж саме стосується і такої практичної задачі, як оцінка небезпеки скупчення вибухонебезпечного газу в підземних порожнинах, тимчасово виникаючих в зоні активних зсувів під міцними шарами пісковиків, що зависають. Оскільки свердловини для відведення цього газу бурять із земної поверхні, важливо знати лише місце проекції підземної порожнини на цю поверхню. Важливо також врахувати, що висота, з якої газ з супутників і пісковиків може поступати у вироблений простір діючої лави, не перевищує 150 m, де m - потужність, що виймається. Це виключає необхідність обліку товщі, що підроблюється, на всю глибину. Вказані обставини знижують вимоги до рішення поставленої задачі і дають можливість застосувати простіші моделі для розрахунку напружень і деформацій в товщі порід, що підроблюється рухомим очисним вибоєм.

Для цього розглянемо товщу порід, що підроблюється, як товсту плиту, що спирається на неоднорідний фундамент 3 і що прогинається під власною вагою q.

Жорсткість фундаменту 3 залежить від наявності вироблених просторів і сумарної потужності m пластів, що виймається. Позиціями 1 і 2 вказані раніше вироблений простір і той, який формується діючою лавою. В результаті відпрацювання лав на земній поверхні 4 формується мульда зсувів 5. Розподіл напружень і деформацій в товстій плиті потужністю 150 m можна знайти за допомогою тривимірних моделей, недоліки яких описані вище. Проте, якщо замінити товсту плиту тонкою, можна підібрати такі еквівалентні величини жорсткості фундаменту і деформаційних параметрів плити, при яких деякі параметри напружено-деформованого стану відповідатимуть фактичним. Наприклад, за допомогою такої моделі можна з високою достовірністю прогнозувати параметри мульди зсувів на земній поверхні (зокрема її осідання, оскільки основне ущільнення товщі відбувається в межах 150 m), а також прогинання і напруження в породних шарах в межах підробленої товщі на висоту 150 m.

Напружено-деформований стан тонкої плити буде лише приблизно і інтегрально описувати реальний стан масиву в межах 150 m. Проте в якісному плані основні характеристики напружено-деформованого стану співпадатимуть.

Перевірка достовірності результатів прогнозування і встановлення закономірностей перерозподілу інтенсивності ВПЕ в процесі відпрацювання лав здійснювалася шляхом порівняння результатів розрахунку з даними шахтних інструментальних спостережень за зсуваннями земної поверхні, інтенсивністю сейсмоакустичної емісії, дебіту газу і виділення води зі свердловин дегазації.

На рис. 3. наведений розрахунковий розподіл осідань земної поверхні в просторі (а) і графіки осідання уздовж профільної лінії (б) при підробці земної поверхні лавою, яка примикає до раніше виробленого простору складної конфігурації в умовах шахти ім. Засядько, де розрахункові і виміряні осідання співпадають з точністю ±7,8 мм, що при максимумі осідання 80 мм не перевищує похибки, рівної ±10%. При цьому модель відтворила зареєстровану експериментально несиметричність мульди уздовж профільної лінії, що підсилює достовірність результатів моделювання. Аналогічні висновки отримані в умовах шахти „Красноармійська-Західна №1”, де розрахункові і виміряні осідання співпадають з точністю ±85 мм, що при максимумі осідання 1100 мм не перевищує похибки, рівної ±8%.

Видно, що огинаюча виміряної інтенсивності сейсмоакустичної емісії добре узгоджується із розрахунковим графіком, взятим уздовж вентиляційного горизонту по межі суміжних вироблених просторів. При цьому період прояву максимумів розрахункової інтенсивності ВПЕ складає на ділянці зіставлення 125±20 м, тоді як період трендової огинаючої максимумів інтенсивності виміряної сейсмоакустичної емісії дорівнює 127±21 м.

Промислова перевірка надійності результатів прогнозування перерозподілу інтенсивності сейсмічної енергії в товщі, що підроблюється, здійснювалася на прикладі 16 східної лави пласта m₃ шахти ім. Засядько.

Лава відпрацьовувалася як примикаюча до раніше вироблених просторів 15-12 східних лав, причому видалення надмірного газу із супутників здійснювали через свердловини з денної поверхні. За допомогою розробленої методики здійснений прогноз перерозподілу інтенсивності ВПЕ, на підставі чого було визначене раціональне місце розташування свердловини дегазації в оточенні одного з максимумів інтенсивності. Досвід експлуатації свердловини показав, що у міру підсічки свердловини лавою і віддаленні її на 70 м дебіт газу збільшився з нуля до 25000 м³/доб. При цьому тренд кривої газовиділення показував стійке зростання, що свідчить про правильність вибору місця розташування свердловини. Це підтверджує достовірність результатів моделювання і обгрунтованість геомеханічних передумов самої моделі.

Розробка методики прогнозу порожнин в породному масиві та її промислова перевірка. Для практичного використання результатів досліджень була розроблена методика прогнозу місця утворення порожнин в масиві, що підроблюється. Методика передбачає розрахунок розподілу гірничого тиску від раніше вироблених просторів довільної конфігурації, моделювання перерозподілу напружень навколо діючої лави у міру її посування і обчислення еквівалентних напружень у_e в породній товщі, що підроблюється. З урахуванням швидкості посування лави обчислюється розподіл інтенсивності ВПЕ за формулою (1). Після цього встановлюється критичне значення інтенсивності I за умовою міцності у_e ? [у_p] у положенні лави на відстані від розрізної печі, рівній її довжині. Набуте значення встановленої критичної інтенсивності використовується для оконтурення меж порожнин на всій площі виїмкового стовпа. Безрозмірна величина критичної інтенсивності сейсмічної енергії по всіх експериментальних ділянках виявилася в межах 0,3-0,4.

Одержані контури порожнин використовуються для вибору місця свердловин дегазації, або проектування інших заходів щодо забезпечення безпечного ведення очисних робіт. Наприклад, проведенню заходів для запобігання прориву підземних вод в робочий простір лави і т.д.

Розроблена методика була використана на шахті “Красноармійська-Західна №1” для визначення місця розташування свердловини дегазації, пробуреної із земної поверхні. Рекомендації автора прийняті на шахті для використання при виборі місця розташування свердловин дегазації над виїмковими полями 2-ої південної панелі блоку №8 і 4-ої північної лави блоку №5.

Перевірка ефективності дегазації показала, що середній дебіт газу через свердловину №5763 після її підробки і відході лави на відстань 50 м перевищив 7920 м³/доб. В результаті збільшення ефективності дегазації вміщуючої товщі на 5-7% підвищується допустиме навантаження на лаву, що дає можливість одержати додатковий прибуток 220 тис. грн і забезпечити необхідний рівень безпеки гірничих робіт.

ВИСНОВОК

Дисертація є завершеною науковою роботою, в якій на основі вперше встановлених закономірностей вивільнення потенційної енергії в процесі підробки породних масивів, що містять потужні шари пісковиків, вирішена актуальна науково-технічна задача визначення місцезнаходження областей локалізації геодинамічних явищ при інтенсивному відпрацюванні вугільних пластів, що має важливе значення для вугільної промисловості при забезпеченні безпеки очисних робіт на газонасичених пластах.

Основні наукові і практичні результати дисертації полягають в наступному.

1. Показано, що сейсмічні коливання, які виникають при інтенсивній підробці породного масиву, не тільки являють собою певну небезпеку для експлуатації наземних об'єктів, але й можуть слугувати інформативними параметрами для оцінки структури зони активних зсувів.

2. Одержала подальший розвиток модель динамічних зсувів товщі порід, що підроблюється, з урахуванням потенційної енергії, що вивільняється. При цьому запропонована нова формула для розрахунку інтенсивності вивільнення потенційної енергії масиву порід, що підроблюється, яка пропорційна еквівалентним напруженням в міцному порідному шарі, що згинається, і швидкості наростання цього напруження, яке є функцією нормальних і дотичних напружень, діючих в цьому шарі, що точніше відображає зв'язок з вірогідним проявом сейсмічності, викликаним зависанням і обваленням міцних порідних шарів в товщі порід, що підроблюється. Показано, що застосування критерію міцності НГУ для розрахунку інтенсивності вивільнення потенційної енергії збільшує контрастність її розподілу, що підвищує точність прогнозу в порівнянні з використанням енергетичної теорії міцності.

3. Встановлено, що максимальна інтенсивність вивільнення потенційної енергії виникає під дією тимчасового зависання і подальшого обвалення міцних породних шарів, що супроводжується виділенням сейсмічної енергії, величина якої досягає 40 МДж та більше. Зони зависань міцних породних шарів є потенційними акумуляторами вибухонебезпечного газу і підземних вод, які можуть прориватися в гірничі виробки, що є небезпечним при веденні гірничих робіт. Період зависання порідних шарів триває від 15 діб до 1,6 місяців.

4. Встановлено, що межі тимчасової порожнини, що утворюється під зависаючим міцним шаром пісковику, визначаються за рівнем інтенсивності вивільнення потенційної енергії, безрозмірний показник якої перевищує 0,3-0,4, а розміри порожнини визначаються ступенем перевищення показника вказаного рівня.

5. Показано, що на висоті до 50 м від очисного вибою сейсмічні імпульси, що виникають при обваленні зависаючих за лавою, яка рухається, міцних породних шарів, помітно концентруються біля краєвих частин виробленого простору лави, оскільки вони генеруються уздовж виїмкових штреків обваленням зависаючих бічних консолей породних шарів. Проте вище 50-80 м над пластом просторовий розподіл сейсмічних подій стає більш рівномірним і залежить вже від будови товщі і її міцності, а також від конфігурації суцільного виробленого простору.

6. Встановлено, що вплив конфігурації суцільного виробленого простору позначається у тому, що при відпрацюванні лави, яка примикає до раніше виробленого простору, зависання міцних породних шарів з подальшим їх обваленням і звільненням значної потенційної енергії змінюють місцеположення залежно від величини відходу лави від розрізної печі. При відході лави на відстань, рівну приблизно її довжині перше масштабне зависання з подальшим обваленням відбувається над середньою частиною виробленого простору. При подальшому відході основні зависання зміщуються до раніше виробленого простору.

7. Розроблена методика оконтурення (локалізації) меж порожнин, що тимчасово виникають під зависаючими міцними порідними шарами на стадії активних зсувів товщі, яка підроблюється. Методика передбачає обчислення розподілу інтенсивності вивільнення потенційної енергії. Межі порожнин ідентифікуються величиною критичної інтенсивності, яка визначається при відході лави від розрізної печі, рівній її довжині, в точках, де діюче еквівалентне напруження дорівнює або більше допустимої межі міцності порід на розтягування в масиві порід.

8. Розроблена методика прогнозу місцеположення тимчасових порожнин розшарування в підробленому масиві порід за інтенсивністю вивільнення потенційної енергії упроваджена на шахті “Красноармійська-Західна №1” при визначенні раціонального місця розташування свердловин дегазації, що буряться з земної поверхні. Це дозволило забезпечити необхідну ефективність роботи свердловин і збільшити безпеку гірничих робіт з видобутку вугілля.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

1. Звягильский Е.Л., Бокий Б.В., Папазов Н.М., Назимко Е.В., Бугара М.И., Коломиец В.А., Грищенков Н.Н. Динамика сдвижений земной поверхности при больших скоростях подвигания очистных забоев // Проблеми гірського тиску. - Донецк: ДонНТУ. - 2003. - № 9. - С. 189-212.

2. Байсаров Л.В., Ильяшов М.А., Назимко Е.В. Исследование закономерностей активизации сдвижений земной поверхности при развитии очистных работ // Науковий вісник НГУ. - 2004. - №37. - С 23-29.

3. Назимко Е.В. Динамические проявления сдвижений над длинными очистными забоями при больших темпах их подвигания // Наукові праці Донецького національного технічного університету, серія гірничо-геологічна - Донецьк: ДонНТУ. - 2005. - вип. 72. - С. 12-21.

4. Назимко К.В. Оцінка зон мульди зрушень по ступеню сейсмічності над очисним вибоєм, що рухається // Проблеми гірського тиску. - Донецк: ДонНТУ. - 2005. - № 13. - С. 189-212.

5. Назимко К.В. Зв'язок динамічних зрушень земної поверхні з порожнинами, в яких накопичується метан // Труды Международной технической конференции “Проблемы безопасной работы горных предприятий”. - Макеевка: МакНИИ, 2004. - С. 95-96.

6. Назимко К.В. Модель сейсмічних проявів зрушень земної поверхні над очисним вибоєм, що рухається // Сборник научных трудов XV Международной научной школы “Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках” - Симферополь: ТНУ, 2005. - С. 23-27.

7. Назимко К.В. Динамічні явища при осіданні підробленого масиву гірських порід // Тези доповідей на Міжнародній науково-технічній конференції „Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості-2005”. - Кривий Ріг: КТУ. - 2005. - С. 14.

Особистий внесок здобувача в роботах, написаних у співавторстві: [1,2] - постановка задачі, результати інструментальних спостережень, математичне моделювання зсувів, аналіз результатів досліджень.

АНОТАЦІЯ

Назимко К.В. Обґрунтування методики визначення місцезнаходження областей локалізації геодинамічних явищ при інтенсивному відпрацюванні вугільних пластів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.09 - “Механіка грунтів та гірських порід”. - Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2006.

У дисертації на основі встановлення закономірностей вивільнення потенційної енергії в процесі підробки порідних масивів, що містять міцні шари пісковиків вирішена актуальна науково-технічна задача визначення місцеположення областей локалізації геодинамічних явищ при інтенсивному відпрацюванні вугільних пластів, що має важливе значення для вугільної промисловості для підтримання безпеки очисних робіт на газонасичених пластах.

Одержала розвиток модель динамічних зсувів та розрахунку інтенсивності вивільнення потенційної енергії масиву порід, що підроблюється. Розроблена та впроваджена методика розрахунку інтенсивності вивільнення потенційної енергії для визначення раціонального місця розташування свердловин дегазації, що буряться з земної поверхні.

Ключові слова: зона активних зсувів, розподіл інтенсивності вивільнення потенційної енергії, порожнини розшарування.

АННОТАЦИЯ

Назимко Е.В. Обоснование методики определения местоположения областей локализации геодинамических явлений при интенсивной отработке угольных пластов - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.09 - “Механика грунтов и горных пород”. - Национальный горный университет, Днепропетровск, 2006.

В диссертации на основе установления закономерностей высвобождения потенциальной энергии в процессе подработки породных массивов, содержащих прочные слои песчаников решена актуальная научно-техническая задача определения местоположения областей локализации геодинамических явлений при интенсивной отработке угольных пластов, что имеет важное значение для угольной промышленности с точки зрения обеспечения безопасности очистных работ на газонасыщенных пластах.

Получила развитие модель динамических сдвижений подрабатываемой толщи горных пород с учетом выделяющейся сейсмической энергии. При этом предложена новая формула для расчета интенсивности высвобождения потенциальной энергии подрабатываемого массива горных пород, которая пропорциональна эквивалентным напряжениям в изгибающемся прочном породном слое и скорости нарастания этого напряжения, являющегося функцией нормальных и касательных напряжений, действующих в этом слое.

Границы образующейся временной полости под зависающим прочным слоем песчаника определяются по уровню интенсивности выделения потенциальной энергии, безразмерный показатель которой превышает 0,3-0,4, а период зависания породных слоев длится от 15 суток до 1,6 месяца. При отходе лавы на расстояние, равное примерно ее длине, первое масштабное зависание с последующим обрушением происходит над средней частью выработанного пространства. При дальнейшем отходе основные зависания смещаются к ранее выработанному пространству.

Достоверность выводов и рекомендаций подтверждается использованием современных моделей механики необратимых деформаций подрабатываемого массива и теории прочности горных пород. Измеренные и расчетные показатели сдвижений породного массива и концентрации напряжений, действующих в зоне влияния очистных работ совпадают с погрешностью, которая не превышает 25% при надежности 95%. Достоверность прогноза полостей расслоения по интенсивности высвобождения потенциальной энергии подрабатываемого массива подтверждается эффективностью работы дегазационной скважины, а также совпадением периодов интенсивного проявления ВПЭ с периодами активности сейсмоакустической эмиссии, измеренной с помощью аппаратуры ЗУА.

Разработанная методика расчета интенсивности высвобождения потенциальной энергии внедрена на шахте “Красноармейская-Западная №1” при определении рационального места заложения дегазационных скважин, буримых с земной поверхности. Это позволит обеспечить необходимую эффективность работы скважин и увеличить безопасность горных работ по добыче угля.

Ключевые слова: зона активных сдвижений, распределение интенсивности высвобождения потенциальной энергии, полости расслоения.

SUMMARY

Nazimko K.V. Substantiation of a procedure for location rock mass geodynamic behavior during intensive coal seam extraction - Manuscript.

Dissertation for seeking scientific degree candidate of engineering science on specialty 05.15.09 - “Rock and ground mechanics”. National Mining University. Dnipropetrovsk, 2006.

New scientific problem has been solved as a result of findings in process of potential energy transformation due to undermining of rock mass that contains hard sandstone layers. A new method was developed to locate areas of geodynamic behavior due to coal seams intensive extraction. This is very important for safety improvement in Ukrainian coal industry.

New geodynamic model has been developed that describes intensity of potential energy relief from undermined rock mass. Method for calculation of potential energy transformation intensity has been introduced and tested to provide optimal location of degassing well that has been planned to drill from the surface.

Key words: area of active rock mass movement, distribution of potential energy transformation intensity, caving, lamination.

Размещено на Allbest.ru