Удосконалення методу комплексної оцінки аномальних зон на шахтах Донбасу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості

(МакНДІ)

УДК 622.831

Удосконалення методу комплексної оцінки аномальних зон на шахтах Донбасу

Спеціальність 05.26.01 - "Охорона праці"

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Никифоров Олексій Вікторович

Макіївка 2007

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Державному Макіївському науково-дослідному інституті по безпеці робіт у гірничій промисловості (МакНДІ).

Захист відбудеться “_14_” вересня__________2007 р. в _13__ годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.834.01 при Державному Макіївському науково-дослідному інституті по безпеці робіт у гірничій промисловості (МакНДІ) (86108, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Лихачова, 60).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного Макіївського науково-дослідного інституту по безпеці робіт у гірничій промисловості за адресою: 86108, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Лихачова, 60.

Автореферат розісланий "_14__" __серпня__________ 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат технічних наук В.Р. Алаб'єв

АНОТАЦІЯ

Никифоров О.В. Удосконалення методу комплексної оцінки аномальних зон на шахтах Донбасу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.26.01 - “Охорона праці”. - Державний Макіївський науково-дослідний інститут по безпеці робіт у гірничій промисловості, Макіївка, 2007 р.

Дисертацію присвячено вирішенню актуального завдання підвищення вірогідності визначення ступеня викидонебезпеки аномальних зон, що виявляють існуючими способами прогнозу викидонебезпеки.

У роботі встановлено, що для достовірної оцінки ступеня викидонебезпеки аномальних зон на шахтах Донбасу необхідно оцінювати три фактори викидонебезпеки: напружено-деформований стан привибійної частини вугільного пласту, його газові й фізико-механічні властивості.

Результати досліджень впроваджені в галузеві нормативні документи й застосовувалися для оцінки ступеня викидонебезпеки аномальних зон на шахтах Донбасу.

Ключові слова: газодинамічне явище, аномальна зона, параметри викидонебезпечних зон, затримка деформацій порід покрівлі, напружено-деформований стан привибійної частини вугільного пласту, сорбційний показник вугілля, фізико-механічні властивості вугілля.

викидонебезпека зона привибійний

АННОТАЦИЯ

Никифоров А.В. Совершенствование метода комплексной оценки аномальных зон на шахтах Донбасса. - Рукопись.

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

Диссертация посвящена решению актуальной задачи повышения достоверности определения степени выбросоопасности аномальных зон, выявляемых существующими способами прогноза выбросоопасности.

Проведенный анализ развития и создания прогноза выбросоопасности угольных пластов показал, что в формировании внезапного выброса угля и газа участвуют три параметра: напряженно-деформированное состояние угольного пласта, содержание метана в призабойной части пласта и физико-механические свойства угольного пласта. На основании этого анализа предложено осуществлять оценку степени выбросоопасности аномальных зон с помощью комплекса способов, каждый из которых позволяет исследовать любой из факторов выбросоопасности.

Проведенная оценка эффективности действующих способов прогноза выбросоопасности, показала, что применяющиеся способы обладают определенным количеством ошибок второго рода.

Исследование размеров выбросоопасных зон, выявленных указанными способами прогноза выбросоопасности, позволило определить, что для прогноза по начальной скорости газовыделения в шпур средний размер опасной зоны составляет 19 м, для прогноза выбросоопасности по параметрам техногенного акустического сигнала - 27 м. Первое ГДЯ происходит после 6 м подвигания забоя по выбросоопасной зоне.

Для определения реальной выбросоопасности угольного пласта были проведены исследования напряженно-деформированного состояния призабойной части массива (акустическое зондирование пород кровли, определение зоны разгрузки призабойной части угольного пласта, исследование развития расслоений пород кровли при выемки угля комбайном) в опасных и неопасных зонах. В результате выполненных исследований было установлено, что газодинамическому явлению сопутствует задержка деформаций пород кровли, которая выражается в отсутствии расслоений пород кровли более 6 м и обусловлена отсутствием возвратно-поступательного движения максимума горного давления призабойной части пласта.

Исследование параметров горного массива в выбросоопасных зонах выявило неравномерное распределение зоны разгрузки, высокие значения сорбционного показателя угля, низкие значения коэффициента крепости.

Проведенные аналитические и горно-экспериментальные работы позволили определить рациональный комплекс способов оценки аномальных зон. Для оценки выбросоопасности по напряженно-деформированному состоянию горного массива необходимо использовать: акустическое зондирование пород кровли, определение величины зоны разгрузки. Для оценки выбросоопасности по физико-механическим свойствам угольного пласта необходимо использовать коэффициент крепости и йодный показатель структурной нарушенности угля. Газовый фактор выбросоопасности необходимо оценивать с помощью определения сорбционных показателей угольного пласта.

Результаты выполненных исследований использованы при разработке нормативного документа “Положение об экспертной оценке выбросоопасных зон на угольных пластах Донбасса”.

Разработанная комплексная оценка применялась на ш. “Самсоновская-Западная”, ОАО “Краснодонуголь”, ш. “Ясиновская-Глубокая”, ш. “Бутовская”, ГХК “Макеевуголь”.

Ключевые слова: газодинамическое явление, аномальная зона, параметры выбросоопасных зон, задержка деформаций пород кровли, напряженно-деформированное состояние призабойной части угольного пласта, сорбционный показатель угля, физико-механические свойства угля.

ANNOTATION

Nykyforov O.V. Elaborating a comprehensive approach of estimating anomalous areas in Donbas collieries. - Manuscript.

Dissertation for Candidate Degree in Technology on speciality 05.26.01 - “Labour Protection”. - Makiyivka State Research Institute for safety of works in the mining industry. Makiyivka, 2007.

This dissertation is dedicated to the pressing problem of enhancing the trustworthiness of defining the degree of outburst hazard in anomalous areas that is detected by the available methods of forecasting outburst hazard.

It has been established that the trustworthy estimation of the degree of outburst hazard in anomalous areas of Donbas collieries requires the assessment of the following three factors of outburst hazard: stress-and-strain condition of the coal seam in the vicinity of the face, as well as gas and physical and mechanical properties of the coal seam.

The results of the investigations have been taken into account when working out specification documents for the mining industry, and applied for estimating the degree of outburst hazard in anomalous areas of Donbas collieries.

Key words: gas dynamics phenomenon, anomalous area, parameters of outburst hazard areas, strain delay in a rock roof, stress-and strain condition of the coal seam in the vicinity of the face, sorption parameter of coal, physical and mechanical properties of coal.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Щорічно збільшується глибина розробки вугільних пластів на шахтах Донбасу. Збільшуються темпи й обсяги ведення підготовчих й очисних робіт і пов'язане із цим збільшення кількості викидонебезпечних зон, що їх виявляють існуючими способами прогнозу.

Для виявлення викидонебезпечних зон на шахтах Донбасу використовуються, в основному, способи прогнозу викидонебезпеки, розроблені в 60-70-х роках ХХ століття для глибин ведення гірничих робіт у 400 - 600 м.

Найпоширенішими є поточний прогноз за початковою швидкістю газовиділення у шпур, за акустичною емісією гірського масиву, автоматизований контроль викидонебезпеки за параметрами техногенного акустичного сигналу. Для зменшення ймовірності помилок першого роду (пропуск викидонебезпечної зони) і ступеня ризику в кожному зі способів критерії викидонебезпеки обрані з деяким запасом, що збільшує ймовірність помилок другого роду (виявлення помилкових аномальних зон).

Висока ймовірність останніх обумовлена також тим, що для реалізації викиду в небезпечній зоні, необхідним є сполучення трьох факторів: високий зміст газу у вугільному пласті, високий напружено-деформований стан привибійної частини, низькі характеристики міцності вугілля у той час, як усі зазначені способи прогнозу враховують переважно лише один із цих факторів.

Ціна помилок другого роду є різною для загрозливих і викидонебезпечних пластів. Якщо для останніх виявлення помилкової небезпечної зони пов'язано лише з невиправданим застосуванням противикидних заходів або БПР у режимі струсного висадження, то для гірничих робіт на загрозливих пластах такі помилки обумовлюють передчасне її переведення у категорію викидонебезпечних. При виявленні небезпечної зони на загрозливому пласті поточним прогнозом за початковою швидкістю газовиділення у шпур або за акустичною емісією масиву відповідно до п. 2.4.17 “Інструкції з безпечного ведення гірничих робіт на пластах, небезпечних по раптових викидах вугілля, породи й газу” необхідно робити її експертну оцінку.

З урахуванням того, що нормативний метод експертної оцінки викидонебезпечної зони був відсутній, на практиці перевірка здійснювалася проведенням БПР у режимі струсного висадження. Якщо при цьому викиду вугілля й газу не відбувалося, то вугільний пласт не переводили з категорії загрозливих до викидонебезпечних. Однак цей спосіб, з одного боку, не завжди можливо застосувати або його застосування вимагає більших тимчасових і матеріальних витрат, а з іншого боку, таку перевірку не можна назвати цілком достовірною, тому що не у всіх дійсно небезпечних зонах підривні роботи ініціюють викид вугілля й газу.

Оцінка небезпечної зони також вироблялася експериментальними роботами відповідно до п. 2.8.1. “Методичних вказівок по розслідуванню й технічній експертизі газодинамічних явищ на шахтах Донбасу” і полягала в оцінюванні ступеня природної порушеності пласту, напруженого стану пласту по виходу бурового штибу, початкової швидкості газовиділення в шпур. Однак дану інформацію для достовірної оцінки небезпечної зони в сучасних умовах відпрацьовування вугільних пластів не можна вважати достатньою.

У зв'язку із цим удосконалення методу оцінки викидонебезпеки виявлених викидонебезпечних зон є досить актуальним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в рамках науково-дослідної роботи №1710202270 “Розробити положення експертної оцінки викидонебезпечних зон на пластах Донбасу” за замовленням Міністерства палива й енергетики України, № держ. реєстрації 0102U002872.

Автор брав безпосередню участь у постановці завдань, розробці методики виконання шахтних експериментів, проведенні гірничо-експериментальних досліджень аномальних зон на шахтах Донбасу, виконав оцінку ефективності діючих способів прогнозу викидонебезпеки, досліджував параметри викидонебезпечних зон, виконав аналіз розшарувань порід покрівлі при відпрацьовуванні вугільного пласту, обґрунтував раціональний комплекс способів оцінки аномальних зон.

Мета й завдання дослідження. Метою даної роботи є вдосконалювання методу комплексної оцінки аномальних зон за рахунок багатофакторного аналізу ступеня викидонебезпечності вугільного пласту.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:

виконати аналіз ефективності способів прогнозу викидонебезпеки, що застосовуються;

визначити характеристики викидонебезпечних зон, що виявляють різними способами;

дослідити параметри напружено-деформованого стану привибійної частини масиву;

дослідити прогностичні параметри у викидонебезпечних зонах;

обґрунтувати раціональний комплекс способів оцінки аномальних зон;

розробити метод комплексної оцінки викинонебезпечних зон на вугільних пластах Донбасу.

Об'єкт дослідження - аномальні зони на викидонебезпечних й загрозливих вугільних пластах Донбасу.

Предмет дослідження - розшарування порід покрівлі, напружено-деформований стан масиву, газові характеристики й фізико-механічні властивості привибійної частини вугільного пласту.

Методи дослідження. У роботі використаний комплексний метод досліджень, який включає: аналіз й узагальнення літературних джерел, аналіз раніше розроблених способів прогнозу викидонебезпеки вугільних пластів, гірничо-експериментальні дослідження аномальних зон у підготовчих й очисних виробках (вимірювання комплексу параметрів викидонебезпеки), статистична обробка даних вимірів (обробка експериментальних даних), аналіз отриманих результатів досліджень (розробка методу комплексної оцінки викидонебезпечних зон).

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Уперше встановлено закономірність формування викидонебезпечної ситуації, яка обумовлена затримкою деформацій порід покрівлі, що характеризується відсутністю розшарувань у породній товщі масиву на відстані від 6 до 20 м від вугільного пласта.

2. Уперше встановлено зворотно-поступальне переміщення максимуму гірського тиску під час виїмки вугілля в підготовчому вибої, який припиняється у викидонебезпечній зоні за 6 м до прояву викиду вугілля й газу й відновляється, у середньому, через 23 м руху вибою по цій зоні.

Практичне значення отриманих результатів. На підставі проведених експериментальних й аналітичних досліджень виявлених аномальних зон розроблений новий метод комплексної оцінки викидонебезпеки вугільного пласта. Визначено способи оцінки аномальних зон (акустичне зондування порід покрівлі, визначення сорбційних і фізико-механічних властивостей вугілля), прогностичні параметри та їхні критичні значення.

Розроблено “Положення про експертну оцінку викидонебезпечних зон на вугільних пластах Донбасу”, що включено в нормативний документ “Правила ведення гірничих робіт на пластах, схильних до газодинамічних явищ” СОУ 10.1.00174088.011-2005.

“Положення…” застосовувалося для оцінки аномальних зон на викидонебезпечних й загрозливих пластах на шахтах Луганської й Донецької областей (“Самсонівська-Західна” ДП “Краснодонвугілля”, “Ясиновська-Глибока”, “Бутовська” ДХК “Макіїввугілля”, ОП “Шахта ім. А. Ф. Засядько”).

Особистий внесок здобувача полягає в дослідженні розмірів викидонебезпечних зон і встановленні особливостей розподілу в них прогностичних параметрів, у визначенні ступеня викидонебезпеки вугільного пласту за характером розвитку розшарувань порід покрівлі й напружено-деформованого стану привибійної частини масиву, у проведенні гірничо-експериментальних робіт, виконанні обробки й аналізу отриманих матеріалів, обґрунтуванні положень методу комплексної оцінки аномальних зон.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи повідомлені й обговорені на XV Міжнародній науковій школі ім. Академіка С.О. Христиановича (м. Алушта, 2005 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції “Гірнича геологія, геомеханика й маркшейдерія”, присвяченої 75-річчю інституту УкрНДМІ НАН України (м. Донецьк, 2004 р.), на науково-практичній конференції “Шляхи підвищення безпеки гірничих робіт у вугільній галузі” (МакНДІ, м. Макіївка, 2004 р.).

Публікації. Основні наукові й прикладні результати роботи представлено у 12 публікаціях, з яких 1 стаття - у науковому журналі, 3 статті - у матеріалах міжнародних конференцій, 6 статей - у наукових збірниках, 2 - деклараційних патенти на винахід.

Структура й обсяг. Дисертація є рукописом і складається із вступу, трьох розділів, висновку, списку використаних джерел, що включає 57 найменувань, трьох додатків. Обсяг дисертації становить 152 сторінок, з яких 114 сторінок основного тексту. Текстова частина ілюстрована 21 рисунками й містить 32 таблиць.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі розглянуто проблеми прогнозування викидонебезпечних зон, які широко досліджувалися закордонними й вітчизняними вченими.

Показано, що одним з важливих напрямків у дослідженнях було створення способів прогнозу викидонебезпеки внаслідок локального прояву газодинамічних явищ. Тому виявлення реальної викидонебезпеки є найважливішим, але разом з тим і складним завданням.

Сучасні економічні умови для забезпечення ліквідності шахт Донбасу вимагають збільшення продуктивності праці. Ці вимоги можливо виконати за рахунок постійного нарощування темпів ведення підготовчих робіт і збільшення обсягів видобутку в очисних вибоях. Однак, необхідно враховувати ті складні й небезпечні гірничо-геологічні умови, у яких ведуться гірничі роботи на шахтах Донбасу. Одним з таких факторів є газодинамічні явища.

Для прогнозу викидонебезпеки використовуються, в основному, способи прогнозу для глибин ведення гірничих робіт у 400 - 600 м.

Кожний з існуючих нормативних способів прогнозу викидонебезпеки заснований на контролі одного з факторів викидонебезпеки, у той час як у формуванні раптового викиду вугілля й газу беруть участь три основних фактори:

- напружено-деформований стан вугільного пласта (НДС);

- вміст метану в його привибійної частині;

- фізико-механічні властивості вугілля.

Як показує практика відпрацьовування викидонебезпечних й загрозливих пластів, у сучасних умовах недостатньо здійснювати прогнозування викидонебезпечних зон лише за одним фактором. Тому для достовірної оцінки аномальної зони необхідно застосовувати комплекс способів, які дозволяють оцінювати ступінь викидонебезпеки за кожним із факторів.

Зниження точності прогнозу викидонебезпеки на сучасних глибинах видобутку вугілля призводить до необґрунтованих витрат, особливо при відпрацьовуванні загрозливих по викидах вугілля й газу пластів, коли встає питання про їхнє переведення з категорії загрозливих до категорії викидонебезпечних.

У зв'язку з цим актуальною є розробка надійного методу оцінювання реальної викидонебезпеки аномальних зон, що їх виявлено шляхом прогнозування викидонебезпеки за одним прогностичним параметром.

У другому розділі наведено результати досліджень аномальних зон, виявлених нормативними способами, характеру розвитку розшарувань порід покрівлі в небезпечних по викидах вугілля й газу зонах, зміни параметрів напружено-деформованого стану привибійної частини вугільного пласту, значення прогностичних параметрів у небезпечних зонах.

Більшість аномальних зон виявлено й досліджено у підготовчих виробках, оскільки саме з ними пов'язана найбільша небезпека раптових викидів вугілля й газу.

Дослідження стосовно оцінки ефективності діючих способів прогнозу викидонебезпеки (поточний прогноз викидонебезпеки за початковою швидкістю газовиділення у шпур, прогноз за акустичною емісією масиву, контроль викидонебезпеки за параметрами техногенного акустичного сигналу) полягали в аналізі можливих помилок першого й другого роду. Результати аналізу дозволили більш об'єктивно підходити до результатів прогнозу викидонебезпеки, а також дали можливість вибрати комплекс способів, застосування якого підвищить точність визначення викидонебезпеки.

На підставі аналізу встановлено, що точність прогнозу викидонебезпеки є найбільш високою, якщо враховуються параметри техногенного акустичного сигналу, що контролює напружено-деформований стан масиву. Однак наявність помилок другого роду (17%) змушує в певних умовах уточнювати реальну викидонебезпеку вугільного пласту шляхом оцінки газового фактора. Аномальні зони, які встановлено за початковою швидкістю газовиділення у шпур, вимагають перевірки способами, що оцінюють НДС привибійної частини пласту. Визначення величини зони розвантаження за параметрами акустичного сигналу дозволяє більш детально й вірогідно досліджувати НДС привибійної частини вугільного пласту.

Дослідження розмірів викидонебезпечних зон, виявлених зазначеними способами прогнозу викидонебезпеки, дозволило визначити, що для прогнозу за початковою швидкістю газовиділення у шпур середній розмір небезпечної зони становить 19 м, для прогнозу за акустичною емісією масиву - 51 м (небезпечно, якщо виявляється гірський тиск в очисному вибої), для прогнозу викидонебезпеки за параметрами техногенного акустичного сигналу - 27 м.

Перше газодинамічне явище (ГДЯ) відбувається не менш чим через 6 м посування вибою виробки викидонебезпечною зоною. Таким чином, після одержання першого прогнозу “небезпечно” можливим стає проведення комплексної оцінки щодо уточнення ступеня викидонебезпеки протягом 6 м. У результаті аналізу встановлено, що в межах всієї викидонебезпечної зони величина прогностичних параметрів всіх застосовуваних способів змінюється в широких межах, у тому числі може набувати прогнозу “безпечно”. На підставі цього комплексна оцінка повинна виконуватися протягом середньої довжини викидонебезпечних зон - 23 м.

Напружено-деформований стан привибійної частини масиву, нарівні з газовими характеристиками вугільного пласту, є одним з головних факторів, що визначають формування викидонебезпечних зон.

Професором І.В. Бобровим шляхом виконання тривалих експериментів було встановлено, що викиду вугілля й газу передує затримка деформацій у породах покрівлі. Однак до останнього часу були відсутні мобільні й ефективні способи контролю деформаційних процесів, а також критерії оцінки небезпечного стану масиву.

Реалізувати контроль затримки деформацій при веденні підготовчих й очисних робіт дозволяє розроблений у МакНДІ прогноз викидонебезпеки за параметрами техногенного акустичного сигналу. Для локалізації викидонебезпечної ділянки в очисному вибої застосовується акустичне зондування порід покрівлі. За його результатами обчислюється коефіцієнт викидонебезпеки, що служить підставою для визначення найнебезпечнішої ділянки. Крім коефіцієнта викидонебезпеки даний спосіб дозволяє одержати розподіл розшарувань порід покрівлі.

Що стосується методу комплексної оцінки, автором було запропоновано провести акустичні дослідження з метою визначення кількісних показників розшарувань порід покрівлі та їх ролі у формуванні раптового викиду вугілля й газу.

Показником розшарувань порід покрівлі прийнятий розподіл ослаблених міжшарових контактів у процесі ведення гірничих робіт у породах покрівлі. Ослаблені контакти між пластами гірських порід створюють умови для виникнення в них власних (резонансних) коливань, які в спектрі акустичного сигналу відзначені екстремумами амплітуд.

Для визначення наявності й розподілу розшарувань порід покрівлі в зонах, де були зареєстровані викиди вугілля й газу, виконані акустичні зондування порід покрівлі, методика виконання яких полягає в наступному.

На кожному пункті спостережень у покрівлю встановлюється сейсмоприймач, по обидві сторони на відстані 1-3 м від нього по покрівлі наносять серії з 5-7 ударів. Акустичний сигнал від імпульсного порушення масиву записується за допомогою шахтного реєстратора типу РАМШ й обробляється на комп'ютері за спеціальною програмою. У результаті обробки для кожного пункту спостережень обчислюється спектр акустичного сигналу, виділяються резонансні частоти й визначаються розшарування порід покрівлі й коефіцієнт викидонебезпеки. Оцінка ступеня викидонебезпеки здійснюється за значеннями коефіцієнта викидонебезпеки й розшаруванням порід покрівлі. У підготовчій виробці акустичні зондування виконувалися від вибою виробки на відстань не менш 50 м із кроком 5 м, в очисній виробці - на всю довжину лави із кроком 10 м.

У результаті проведених досліджень було встановлено, що вхід у зону формування затримки деформацій порід покрівлі починається за 20 - 40 м від місця ГДЯ.

На рис 1 представлений узагальнений графік максимальних розшарувань порід покрівлі й залежність (1), які дозволяють за результатами акустичного зондування порід покрівлі визначати вхід вибою виробки у зону, небезпечну щодо викидів вугілля й газу.

Отримані дані дозволяють зробити висновок про те, що затримка деформацій порід покрівлі чіткіш за все спостерігається на десятиметровій ділянці перед газодинамічним явищем і виражається у відсутності розшарувань порід покрівлі більше 6 м.

h = 2,5Ln(x) + 1,1, (1)

де х - відстань від пункту акустичного зондування до ГДЯ, м;

h - відстань до максимального розшарування порід покрівлі, м.

Для оцінки розподілу розшарувань порід покрівлі у безпечних за ГДЯ зонах проведені акустичні зондування в підготовчих виробках з різними гірничо-геологічними характеристиками (пл. l1 ОП “Шахта ім. А. Ф. Засядько”, пл. d4 ВАТ ВК “Шахта “Червоноармійська - Західна №1”, пл. l6 шахта “Білоріченська”). Загальна кількість крапок спостереження склало 171 при загальній довжині гірничих виробків близько 1000 м.

Проведені дослідження в зонах небезпечних і безпечних щодо раптових викидів вугілля й газу дозволяють за інтенсивністю розвитку розшарування породи покрівлі розділити її на три групи (рис. 2).

Перша група (I) порід (до 6 м) піддається руйнуванню безпосередній покрівлі пласту. Тут відбуваються найбільш інтенсивні розшарування, пов'язані з обваленням покрівлі під впливом порожнини, що утворилася від виїмки вугілля.

Друга група (II) порід покрівлі - від 6 до 20 м. Від наявності розшарувань у цій групі залежить ступінь впливу на вугільний пласт. При відсутності розшарувань порід покрівлі в цій групі відбувається формування викидонебезпечної зони.

Розшарування в третій групі (III) порід (від 20 до 64 м) носять епізодичний характер. При відсутності розшарувань порід покрівлі до 20 м і наявності ослаблених контактів в III третій групі можливі раптові видавлювання вугільного пласту.

Аналіз розподілу ослаблених міжшарових контактів свідчить про те, що в небезпечних зонах розшарування порід покрівлі розвиваються в товщі порід потужністю до 6 м, при відсутності розшарувань - від 6 до 64 м.

Таким чином, основна роль у формуванні викидонебезпечної ситуації належить товщі порід другої групи - від 6 до 20 м. Для безпечної щодо викидів вугілля й газу зони фіксуються кратні з коефіцієнтом 2 розшарування порід покрівлі по контактах, розташованих на відстані 20 м, 10 м, 5 м, 2,5 м. від пласта. Це відповідає повному й регулярному розвитку міжшарових деформацій у товщі порід покрівлі. У різних гірничо-геологічних умовах потужність цієї товщі змінюється від 20 м до 40 м, при цьому відповідно змінюються положення розшарувань усередині цієї товщі.

Установлено, що кратність відстаней до ослаблених механічних контактів і розвиток регулярних розшарувань до 20 м і більше є важливим критерієм безпечної щодо викидів вугілля й газу зони.

Таким чином, визначивши наявність і розподіл міжшарових розшарувань порід покрівлі за результатами акустичного зондування у виробітку, можна дійти висновку про наявність затримки деформацій порід покрівлі й формування викидонебезпечної зони.

У результаті аналітичних досліджень залежності напруг, що виникають у привибійний частини виробітку, від потужності консолі було встановлено, що при потужності консолі до 6 м й її довжині 20 м виникають напруги до 217,8 МПа, а при потужності консолі 20 м і тій же довжині напруги становлять 726,0 Мпа.

Виходячи із установленої закономірності підвищення напруг зі збільшенням потужності й довжини породної товщі, що відшаровується, і існуючих подань про динаміку напружено-деформований стан привибійної частини углепородного масиву в околиці гірських виробітків треба, що розшарування порід покрівлі є джерелом додаткових напруг, величина яких може бути досить істотної, порівнянної й навіть перевищуючої напруги від ваги всій породної товщі, що залягає над пластом. Накладення тих й інших напруг визначає рівень концентрації їх у зоні опорного тиску.

Для оцінки динаміки розшарувань порід покрівлі в підготовчому вибої виконано аналіз зміни високочастотної й низькочастотної складових акустичного сигналу під час проведення контролю викидонебезпеки залежно від величини проміжку часу між двома циклами впливу комбайна на вибій (табл. 1) і зміни параметрів протягом циклу.

Зміна співвідношень між складовими акустичного сигналу відбивають черговість розвитку розшарувань у товщі порід покрівлі від вилучених контактів до вугільного пласту.

Зростання низькочастотної складової акустичного сигналу є наслідком початку розвитку розшарувань масиву на вилучених контактах, а високочастотної - у протилежному напрямку.

Таблиця 1 Різниця високочастотної (Ав, у чисельнику) і низькочастотної (Ан, у знаменнику) складових у двох сусідніх циклах виїмки вугілля при проведенні 2-го східного конвеєрного штреку по пласту l4 шахти ім. А.Ф. Засядько

	Інтервал часу між циклами виїмки вугілля, хв.
	20	30	40	50	60	70	80	100	120	180
Середні значення

При цьому максимум гірського тиску зміщується в глиб масиву при збільшенні розшарувань на вилучених контактах порід і наближенні до вибою при їхньому зменшенні. Оскільки після виїмки вугільного пласту розвиток розшарувань стрибком переміщується від прилягаючих до пласту контактів до розташованого на відстані 20 м і більше, такому розвитку розшарувань відповідає стрибкоподібне переміщення максимуму гірського тиску в глиб масиву і потім повернення його в колишній стійкий стан. При цьому відбувається збільшення тріщинуватості у вугільному пласті і його дегазація.

Таким чином, установлена зворотно-поступальне переміщення максимуму гірського тиску в привибійної частини пласту в підготовчому вибої, обумовлена геомеханічними процесами, що протікають під час впливу комбайна на вибій і після його впливу в породах покрівлі на безпечній ділянці.

Характер зміни напружено-деформованого стану масиву у викидонебезпечної зоні можна встановити за результатами вимірювання величини зони розвантаження привибійної частини вугільного пласту.

Дослідження НДС попереду вибою виробку здійснювалося за допомогою визначення зони розвантаження по параметрах акустичного сигналу. Цей спосіб дозволяє додатково визначити величину зони відтискування, відстань до максимуму гірського тиску, коефіцієнт привантаження. Об'єктами дослідження було обрано підготовчі виробки шахти ім. А.Ф. Засядько (9-ий, 10-ий, 11-ий західні конвеєрні штреки пл. l1), у яких відбувалися раптові викиди вугілля й газу. Аналізу піддані значення зони розвантаження в небезпечних (перед ГДЯ) і в безпечних зонах. Загальна довжина виробок, що досліджувалися, становила більш ніж 2300 м.

Аналіз результатів досліджень показав, що небезпечні зони характеризуються не тільки зменшенням величини зони розвантаження, але й розбіжністю у значеннях щодо шпурів 1 і 2 (у лівому і правому кутах вибою) у два і більше разів.

Таким чином, не тільки зменшення розмірів зони розвантаження, але й нерівномірне розподілення НДС пласту в підготовчому вибої, а також під час його просування осередок аномальних концентрацій енергії, які за наявності ускладнень (геологічне порушення, високий вміст газу) призводять до здійснення викиду вугілля й газу.

Для комплексної оцінки викидонебезпечних зон було досліджено характер зміни значень параметрів, що відбивають газовміст й фізико-механічні властивості вугільного пласту в небезпечних і безпечних зонах. Найповніше ці параметри досліджено в гірничих виробках ОП “Шахта ім. А.Ф. Засядько”, де виявлено ряд викидонебезпечних зон, підтверджених ГДЯ.

Газовміст привибійної частини пласту оцінювався за тиском десорбованого газу з вугільного штибу, який вибирається під час буріння шпурів за допомогою десорбометра конструкції МакНДІ.

Застосування такого методу вимірювання десорбції дозволяє оцінювати схильність досліджуваного вугілля до швидкого газовиділення, властивого викидонебезпечним пластам.

Методика вимірювань полягає в наступному. Відбирання бурового вугільного штибу здійснюється з 2 м і 3 м. Вимірювання тиску десорбованого газу в герметичному пробозаборнику здійснюється через 60 сек. з моменту добурівання шпуру до контрольного інтервалу (тобто 2 м й 3 м), з інтервалами часу 10, 20, 30, 40 сек. Ці значення тиску використаються в якості сорбційних показників вугілля (СПВ).

Для прогнозу викидонебезпеки здійснюється порівняння значень тиску, отриманих під час вимірювання, з еталонними, які визначалися на безпечній ділянці.

Як критичний рівень сорбційних показників вугілля прийнято середнє значення СПВ, що збільшено на подвоєне значення середньоквадратичного відхилення. Значення, що перевищують критичний рівень, свідчать про наявність викидонебезпечної зони. У найбільш повному обсязі аналіз СПВ виконано на об'єктах ОП “Шахта ім. А.Ф. Засядько” (табл. 2).

Фізико-механічні властивості вугілля досліджувалися шляхом відбору проб вугілля й визначення коефіцієнта міцності f і показника структурної порушеності вугілля ?J у лабораторних умовах.

Критичні значення цих параметрів прийнято за аналогією із прогнозом викидонебезпеки при розкритті вугільних пластів. Ситуація не вважається викидонебезпечною при одночасному виконанні умов: ?J ? 3,5мг/г; f ? 0,6.

На підставі отриманих даних можна зробити висновок про вірність концепції визначення ступеня викидонебезпеки аномальних зон методом комплексної, багатофакторної оцінки.

Таблиця 2 Результати дослідження СПВ в небезпечних і безпечних зонах у підготовчих виробках ОП “Шахта ім. А.Ф. Засядько”

Ступінь викидонебезпеки зони	Глибина шпуру, м	Значення	СПВ, мм рт. ст.
			10//	20//	30//	40//
Небезпечна	2 м	середнє	54	94	126	156
		СКО	21	42	57	70
	3 м	середнє	66	112	154	196
		СКО	27	36	49	66
Безпечна	2 м	середнє	19	23	28	33
		СКО	17	24	32	37
	3 м	середнє	17	26	40	45
		СКО	20	33	35	36

Третій розділ присвячений розробці методу комплексної оцінки викидонебезпечних зон, результатам промислового застосування й оцінці його економічної ефективності на шахтах Донбасу.

На підставі проведених досліджень у комплекс включені способи, що дозволяють оцінювати три фактори викидонебезпеки.

Акустичне зондування масиву й визначення величини зони розвантаження та інші параметри привибійної частини вугільного пласту, що дозволяють оцінити характер розвитку розшарувань порід покрівлі та у цілому НДС масиву;

Вимірювання сорбційного показника вугілля, що дозволяє оцінити газовміст в привибійний частині вугільного пласту;

Визначення фізико-механічних властивостей вугільного пласту (коефіцієнта міцності f і показника структурної порушеності вугілля ?J).

У таблиці 3 представлено рекомендовані способи (виділені курсивом) і критерії оцінки аномальних зон по трьох факторах викидонебезпеки.

Порядок проведення комплексної оцінки аномальної зони полягає в наступному.

З надходженням першого прогнозу “небезпечно” під час поточного прогнозування викидонебезпеки підготовчий або очисний вибій повинен бути зупинений. Для визначення категорії викидонебезпеки загрозливого пласту оцінку аномальної зони в підготовчому вибої необхідно виконувати протягом не менш 6 м після надходження першого прогнозу “небезпечно” з інтервалом у 2 м.

Для визначення категорії викидонебезпеки загрозливого пласту, оцінку аномальної зони в очисному вибої необхідно виконувати на протязі не менш 6 м після надходження першого прогнозу “небезпечно” з інтервалом, рівним глибині виїмки вугілля очисним комбайном в одному циклі.

Оцінку викидонебезпечної зони, яку виявлено під час поточного прогнозування, необхідно здійснювати в обов'язковому порядку по трьох факторах: газового, напружено-деформованому стану пласту й фізико-механічних властивостям.

Якщо по всіх трьох факторах буде підтверджено викидонебезпеку виявленої аномальної зони під час трьох циклах вимірів або в момент струсного висадження, або при застосуванні противикидних заходів відбудеться ГДЯ, то загрозливий пласт варто віднести до категорії викидонебезпечних.

Якщо по одному з факторів буде отриманий прогноз “ненебезпечно”, то комплексну оцінку необхідно здійснювати протягом не менш 23 м просування вибою. Після проведення досліджень, на підставі отриманих даних складається висновок про ступінь викидонебезпеки виявленої аномальної зони.

У випадку, якщо за одним фактором видано прогноз “небезпечно”, необхідно провести додаткові дослідження в межах шахтного поля на предмет визначення ролі даного фактора у викидонебезпеці вугільного пласту. Якщо результати цих досліджень виявлять закономірність розподілу фактора, за яким було отримано прогноз “небезпечно” для всього шахтного поля, то це є особливістю даного пласту та у формуванні раптового викиду вугілля й газу цей фактор можна не враховувати.

У випадку, якщо небезпечні значення стосуються лише аномальної зони, то категорія пласту залишається загрозливою, однак подальше проведення виробки варто здійснювати з прогнозуванням викидонебезпеки, заснованому на контролі фактора викидонебезпеки, за яким було отримано прогноз “небезпечно”.

На викидонебезпечних пластах оцінка виявлених будь-яким способом прогнозу небезпечних зон здійснюється лише у тому випадку, якщо раніше виявлені небезпечні зони багаторазово не підтверджувалися реалізацією ГДЯ або ознаками, що їх супроводять, і за умови відсутності в межах виявленої зони прогнозованого геологічного порушення або його ознак.

Для викидонебезпечних пластів зміна по даним комплексної оцінки рівня небезпеки, який виявлено прогнозуванням зони, не повинна привести до збільшення ступеня ризику. У зв'язку з цим на викидонебезпечних пластах достатньо оцінити два найбільш значущих фактори формування викидонебезпечної ситуації: напружено-деформований стан привибійної частини пласту та газовміст вугільного пласту поблизу вибою.

Розроблену комплексну оцінку було застосовано на таких шахтах: “Шахта ім. А.Ф. Засядько”, “Самсонівська-Західна”, ВАТ “Краснодонвугілля”, “Ясиновська-Глибока”, “Бутовська”, “Холодна Балка”, “Шахта ім. С.М. Кірова” ДХК “Макіїввугілля”, “Іловайська”, ДП “Шахтарськантрацит”.

У цілому довжина аномальних зон склала 377 м, при кількості циклів вимірювання - 70. При цьому в 50,7 % аномальні зони було визнано викидонебезпечними.

Результати виконаних досліджень із урахуванням схеми оцінки аномальних зон і методичних прийомів оцінки, виявлених потенційно небезпечних по раптових викидах вугілля й газу зон, було використано при розробці нормативного документа “Положення про експертну оцінку викидонебезпечних зон на вугільних пластах Донбасу”, що затверджений наказом Мінтопенерго України №488 від 18.09.03 м і погоджений з Госнадзорохрантруда лист №5 1-3а/5680 від 13.11.03 і ввійшов в “Правила ведення гірничих робіт на пластах, схильних до газодинамічних явищ” СОУ 10.1.00174088.011-2005.

Основний економічний ефект від впровадження комплексної оцінки викидонебезпечних зон досягається за рахунок підвищення безпеки робіт на загрозливих та викидонебезпечних пластах і вірогідності оцінки аномальних зон.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій на підставі отриманих нових даних про ефективність діючих нормативних способів прогнозу викидонебезпеки, про розміри викидонебезпечних зон і реалізації в них ГДЯ, а також з урахуванням нових поглядів на роль у формуванні ГДЯ розшарувань порід покрівлі та напружено-деформованого стану масиву, викладено концептуальне рішення актуальної проблеми оцінки ступеня викидонебезпеки аномальних зон на шахтах Донбасу.

У ході виконаних дисертаційних досліджень було отримано наступні основні результати й виводи, що представляють науковий і практичних інтерес:

Проведений аналіз стану прогнозування викидонебезпечних зон показує, що способи прогнозу викидонебезпеки засновано на оцінці одного з факторів викидонебезпеки. На даний момент у практиці проведення гірничих робіт відсутні способи поточного прогнозу викидонебезпеки, які були б засновані на вимірі комплексу параметрів викидонебезпеки.

У результаті аналізу ефективності нормативних способів прогнозу викидонебезпеки, що застосовуються, встановлено, що найбільшу точність забезпечує спосіб прогнозування за техногенним акустичним сигналом, однак, наявність помилок другого роду (17%) робить необхідним уточнювати реальну викидонебезпеку шляхом виміру СПВ. Аномальні зони, установлені за початковою швидкістю газовиділення в шпур вимагають перевірки способами, що оцінюють НДС привибійної частини пласту, а в умовах просування вибою по зоні - вимірюванням СПВ. Визначення величини зони розвантаження по параметрах акустичного сигналу дозволяє більш детально й вірогідно досліджувати НДС привибійної частини вугільного пласту.

Дослідження розмірів викидонебезпечних зон показало, що їхня середня довжина становить 23 м. Перше ГДЯ відбувається після 6 м просування вибою викидонебезпечною зоною. Оскільки ГДЯ відбуваються впродовж усієї викидонебезпечної зони, а прогностичні параметри в зоні можуть показувати прогноз “безпечно”, то комплексну оцінку необхідно виконувати під час просування вибою не менш чим 23 м.

Дослідженнями встановлено закономірність формування викидонебезпечної ситуації, яка обумовлена затримкою деформацій порід покрівлі, що характеризується відсутністю розшарувань у породній товщі масиву на відстані від 6 до 20 м від вугільного пласта.

Установлено особливість розшарування порід покрівлі по інтенсивності, які можна розділити на три групи: до 6 м, від 6 м до 20 м і від 20 до 64 м.

Дослідженнями встановлено зворотно-поступальне переміщення максимуму гірського тиску під час виїмки вугілля в підготовчому вибої, який припиняється у викидонебезпечній зоні за 6 м до прояву викиду вугілля й газу й відновляється, у середньому, через 23 м руху вибою по цій зоні.

Набуло подальшого застосування акустичне зондування порід покрівлі, що дозволяє визначати наявність затримки деформацій порід покрівлі в аномальних зонах.

Установлено, що у викидонебезпечних зонах, у підготовчому вибої величина зони розвантаження не лише зменшується за абсолютною величиною, але й відрізняється по шпурах 1 й 2 у два й більше разів.

9. Дослідження гірського масиву у викидонебезпечних зонах дозволило встановити інформативні способи для багатофакторної оцінки ступеня викидонебезпеки привибійної частини масиву: для оцінки НДС - визначення розшарувань порід покрівлі та величини коефіцієнта викидонебезпеки Кв, для оцінки газового фактора - визначення сорбційного показника вугілля, для оцінки фізико-механічних властивостей - визначення коефіцієнта міцності вугілля.

10. Результати досліджень використано у розробці нормативного документа “Положення про експертну оцінку викидонебезпечних зон на вугільних пластах Донбасу”, що включений у нормативний документ “Правила ведення гірничих робіт на пластах, схильних до газодинамічних явищ” СОУ 10.1.00174088.011-2005.

11. Основний економічний ефект досягається за рахунок підвищення безпеки робіт на загрозливих і викидонебезпечних пластах, при цьому виключається можливість помилкового дорогого переведення вугільного пласту з категорії загрозливих у категорію викидонебезпечних. При застосуванні методу комплексної оцінки аномальної зони на викидонебезпечному пласті зменшується кількість зон, де необхідно застосовувати противикидні заходи, витрати на які становлять для очисного вибою 2,6 грн/т, для підготовчої виробки - 72 грн/м.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ Й РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Каюк М.С., Жимчича И.М., Никифоров А.В. Оценка состояния массива горных пород вблизи извлеченных запасов угля // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. - Макеевка: Сб. научн. трудов МакНИИ. - 2002. - С. 44-51.

2. Лунев С.Г., Колчин Г.И., Никифоров А.В. Динамика массива в опасных по газодинамическим явлениям зонах // Геотехническая механика. - Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины. - 2002. - № 40. - С. 132-137.

3. Южанин И.А., Колчин Г.И., Кузьменко Н.С., Никифоров А.В. К вопросу безопасной отработки угольных целиков // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. - Макеевка: Сб. научн. трудов МакНИИ. - 2003. - С. 95-103.

4. Лунев С.Г., Никифоров А.В., Бабенко И.В. Характер проявления выбросоопасных зон // Геотехническая механика. - Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины. - 2004. - №19. - Т. 3. - С. 229 - 234.

5. Никифоров А.В. Оценка эффективности способов прогноза выбросоопасности // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. - Макеевка: Сб. научн. трудов МакНИИ. ч. 1. - 2004. - С. 83-90.

6. Никифоров А.В. Методика экспертной оценки потенциально выбросоопасных зон // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. - Макеевка: Сб. научн. трудов МакНИИ. - 2005. - С. 89-95.

7. Деклараційний патент на винахід № 55976 А. Україна. Спосіб прогнозу раптових видавлювань вугільного пласта / Брюханов О.М., Бойко Я.М., Колчин Г.І., Никифоров О.В., Мусатова Н. Л. Заявл. 06.08.02; Опубл. 15.04.03; Бюл. №4. - 3 с.

8. Деклараційний патент на винахід № 68986 А. Україна. Спосіб прогнозу викидонебезпеки вугільного пласта / Брюханов О.М., Бойко Я.М., Колчин Г.І., Никифоров О.В., Бокій Б.В. Заявл. 25.11.03; Опубл. 16.08.04; Бюл. №8. - 3 с.

9. Симонов А.М., Извеков А.П., Никифоров А.В. Комплексная оценка потенциально опасных по внезапным выбросам угля и газа зон // Уголь Украины. - 2005. - №2. - С. 34-37.

10. Колчин Г.И., Мхатвари Т.Я., Никифоров А.В. Новые направления контроля напряженно-деформированного состояния горного массива по параметрам акустического сигнала // Научно-практическая конференция “Пути повышения безопасности горных работ в угольной отрасли”. - Макеевка: МакНИИ. - 2004. - С. 218-220.

11. Брюханов А.М., Коптиков В.П., Колчин Г.И., Никифоров А.В. Акустический контроль динамики напряженно-деформированного состояния горного массива // Международная научно-техническая конференция "Горная геология, геомеханика и маркшейдерия". - Ч. 1. - Донецк: УкрНИМИ НАН Украины. - 2004. - С. 459-463.

12. Коптиков В.П., Никифоров А.В. Комплексная оценка выбросоопасных зон // Материалы XV Международной научной школы им. Академика С.А. Христиановича. - Симферополь: Таврический нац. универ. им. В.И. Вернандского. - 2005. - С. 132 - 136.

Особистий внесок автора в роботи, що опубліковано в співавторстві, полягає в наступному: [1, 2, 3] - постановка завдання дослідження, виконання експериментальних досліджень, [4] - виконання теоретичних досліджень, аналіз даних, [7, 8] - проведення патентних досліджень, аналіз різних способів прогнозу газодинамічних явищ, [9, 12] - постановка ідеї, проведення експериментальних досліджень, обробка даних, [10, 11] - збір й аналіз даних.

Размещено на Allbest.ru

...