Обґрунтування параметрів зон захисту при заляганні вапняку в породах міжпластя крутих викидонебезпечних пластів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 622.831.322

Обґрунтування параметрів зон захисту при заляганні вапняку в породах міжпластя крутих викидонебезпечних пластів

Спеціальність 05.26.01 Охорона праці

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Гончаров Анатолій Дмитрович

Донецьк 1999

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Донецькому державному технічному університеті Міністерства освіти України

Науковий керівник:

Доктор технічних наук, професор Ніколін Віктор Гнатович, завідуючий кафедрою охорони праці Донецького державного технічного університету

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Зорін Андрій Нікитович, завідуючий відділом управління динамічними явищами гірського тиску інституту геотехнічної механіки (ИГТМ) НАН України; кандидат технічних наук Луньов Сергій Георгійович, начальник Донецького територіального управління Державного комітету України по нагляду за охороною праці

Ведуче підприємство:

Державний Макіївський науково-дослідний інститут по безпеці робіт в гірській промисловості, відділ по боротьбі з раптовими викидами вугілля, породи та газу Мінвуглепрому України.

Захист відбудеться 1 жовтня 1999р. в 12 годин, ауд. 1.201 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.052.05 в Донецькому державному технічному університеті за адресою: 340000. Україна, м. Донецьк, вул. Артема, 58.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ДонДТУ (340000, м. Донецьк вул. Артема, 58, II уч. корп.)

Авторефрерат розiсланий 27 липня 1999р.

Вчений секретар спеціалізованої ради, доктор технічних наук, професор Н. Р. Шевцов

АНОТАЦІЯ

Гончаров А.Д. Обгрунтування параметрів зон захисту при заляганні вапняків в породах міжпластя крутих викидонебезпечних пластів.

Дисертація (рукопис) на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.26.01 Охорона праці, ДонГТУ, Донецьк, 1999. Містить аналітичні і експериментальні дослідження, які дозволили вперше довести, що наявність в породах міжпластя шара вапняків екранує усунення викидонебезпечності. Розроблений і випробуваний критерій захищеності Кз, що являє собою відношення відстані від шара вапняка до захисного пласта до потужності останнього.

Положення про використання цього критерія прийнято МакНДІ, розглянуте як обгрунтовано вперше Центральною комісією Мінвуглепрома України по боротьбі з газодинамічними явищами. Використовується в учбовому процесі.

Ключові слова: викидонебезпека, газодинамічні явища, викид вугілля та газу, захисний пласт, параметри захисту, надробка, підробка, міжпластя.

АННОТАЦИЯ

Гончаров А.Д. Обоснование параметров зон защиты при залегании известняков в породах междупластья крутых выбросоопасных пластов.

Диссертация (рукопись) на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 - Охрана труда, ДонГТУ, Донецк, 1999. Содержит аналитические и экспериментальные исследования, которые позволили впервые доказать, что наличие в породах междупластья слоя известняков экранирует устранение выбросоопасности.

Разработан и апробирован для таких случаев критерий защищенности Кз 9, представляющий собой отношение расстояния от слоя известняка к мощности последнего.

Этапность исследования характеризуется следующей последовательностью решений:

оценкой актуальности, основанной на анализе обстоятельств, в которых происходили газодинамические явления при выемке угля в защищенных зонах, и формулированием гипотезы экранирования процесса устранения выбросоопасности при отработке защитных пластов, если в породах междупластья находится слой известняка;

сопоставлением условий, в которых произошли ГДЯ, с наличием в междупластьи слоев известняка, приведшем к выводу газов с природной газоносностью и зависимости снижения давления газов выбросоопасных шахтопластов при отработке защитных пластов от присутствия в междупластьи слоя известняков;

экспериментальной оценкой в лабораторных условиях особенностей изменения во времени прочностных и деформационных свойств известняка;

изучением в шахтных условиях при наличии в породах междупластья слоя известняка процессов, способствующих экранированию разгрузки и дегазации выбросоопасных пластов.

К числу основных новых научных положений отнесены доказательства экранирующей роли слоя известняка, находящегося в породах междупластья; обоснование и доказательства достоверности критерия защищенности на примерах выбросов, происшедших при выемке угля после нормативной отработки защитных пластов; рост в 2 раза скорости прохождения ультразвуковых волн при увеличении частоты колебаний с 25 до 150 кГц и уменьшение во времени примерно в 2 раза прочностной и деформационной неоднородности известняка; неизменность скорости прохождения ультразвука и микротвердости известняка во времени, составляющем около десяти месяцев.

ANNOTATION

Goncharov A.D. The basing of parameters of the protection zones with the bedding of limestone in the rocks of inter-strata of the steep waste-dangerous strata.

The candidate dissertation on technical science - the specialization 05.26.01 - Measures for protection of labour. - Donetsk, 1999.

It contains the theoretical and experimental surveys, which allow to prove for the first time that the presence of the stratum of limestone in the rocks of inter-strata screens the removal of waste-danger. The criterion of protection (Cp) is worked ont and approved, it represents the relation between the distance from the stratum of limestone and the protective

stratum to the power of the uttermost. The statute of using this criterion is accepted by MakNII (MakSRI), is regarded as having been based firstly by the Central commission of Minugleprom (Mincoal industry) of Ukrain on the fight against gasodinamic phenomena, is used in the educational process.

The key words are waste-danger, gasodinamic phenomena, throwing ont of coal and gas, protective stratum the parameters of protection, mineworking, working up, inter-strata.

вапняк газ шахтопласт

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У цей час, як і протягом більш ніж п'ятидесяти попередніх років, всіма фахівцями-дослідниками, виробничниками першочергове відробляння захисних пластів вважається найбільш ефективним способом запобігання раптових викидів вугілля і газу.

При дотриманні параметрів способу після 1958р. (на умовно другому тимчасовому етапі) відбувається декілька викидів. МакНДІ (проф. Бобров І.В. і інші) висловлюється припущення, що раптові викиди вугілля і газу можуть в рідких випадках відбуватися при міжпласті меншому нормативного, якщо в ньому знаходяться “щільні міцні нетріщинуваті зволожені породи”. Значення і зміст цієї категорії порід залишається нерозкритим, а газодинамічні явища (ГДЯ) при дотриманні нормативних параметрів потужності порід міжпластя стають зовсім не одиничними.

Міцні нетріщинуваті зволожені породи до дев'яностих років в нормативних документах трансформувалися в процентний зміст пісковиків, незважаючи на те що в публікаціях МакНДІ доводилася відсутність їх впливу на ефект захисту. Вплив складу порід міжпластя, особливо вмісту в ньому шарів вапняка, на розміри зон захисту вивчалося абсолютно недостатньо. Загальне число раптових викидів, обвалення (ГДЯ), що відбулися при застосуванні способу, склало до 1995 р. біля 50. Отже, тема роботи актуальна.

Робота пов'язана з багаторічною виробничою діяльністю автора при розробці крутих викидонебезпечних пластів, вона співпадає зі спрямованістю НДР кафедри охорони праці, ДонДТУ.

Метою роботи є вивчення впливу вмісту вапняка в складі порід міжпластя на ефективність усунення викидонебезпечності при першочерговому відроблянні крутого пласту.

Ідея роботи заснована на відомому положенні про те, що реальний осадовий вугленосний масив є не монолітним, а шаруватим тілом, породи кожного з шарів якого, що чергуються володіють істотно різними деформаційними властивостями при їх розвантаженні. Висловлюється гіпотеза, що наявність в міжпластях не могутніх шарів міцних пісковиків, а обмеженої потужності шарів вапняків, що являли собою дуже пластичні в гірському масиві породи, може перешкоджати як процесу розвантаження, так і дегазації, без якої усунення викидонебезпечності неможливе.

Для досягнення мети дослідження вирішуються наступні наукові задачі:

встановлення наявності в складі порід міжпластя вапняка за даними публікацій і карток розслідування спеціальними комісіями газодинамічних явищ, захисних пластів, що відбулися після першочергового відробляння з нормативними параметрами;

вивчення впливу порід міжпластя шарів вапняка, що знаходяться в складі на зменшення тиску газів, виміряного у викидонебезпечному шахтопласті, що захищається, і залежність останнього від природної газоносності;

експериментальне (у лабораторних умовах) дослідження особливостей властивостей вапняків, що формують екрануючий ефект їх шарів;

експериментальне (в шахтних умовах) вивчення процесів, що відбуваються після відробляння захисного пласта в осадковому масиві, що містить шар (шари) вапняка, з метою підтвердження для таких випадків критерію ефективності захисту.

При їх рішенні використовується комплексний метод, що включає аналіз досвіду розробки викидонебезпечних крутих пластів під захистом і вивчення по матеріалах розслідувань спеціальними комісіями особливостей газодинамічних явищ, що відбулися при цьому; лабораторні і шахтні експерименти; обробку результатів вимірювань методами математичної статистики.

Основні наукові положення, що виносяться на захист, і їх новизна полягають в наступному:

доведено, що наявність в міжпласті шарів вапняків навіть обмеженої потужності (не менше за 0,3 м), розташованих на певних відстанях від захисних пластів, може обумовити екрануючий ефект, при якому шар вапняка запобіжить розвантаженню і дегазації викидонебезпечних пластів, розташованих над - або під захисними;

обгрунтований для випадків наявності в породах міжпластя шарів вапняка показник ефективності захисту Кз, що є відношенням відстані від шара вапняка до захисного пласта до потужності останнього. Його фізичне значення відображає суть процесів, що відбуваються в масиві при розвантаженні, і полягає в тому, що чим ближче вапняк до захисного пласта і чим більше потужність захисного пласта, тим більше ймовірність усунення викидонебезпечності. Критеріальним значенням показника є величина Кз 9,0;

експериментально встановлене, що протягом приблизно восьми місяців (233-282 діб) після витягання проб вапняка з масиву не виявляється зміна його міцнісних і деформаційних властивостей: мікротвердості і швидкості проходження ультразвуковых хвиль. Але одночасно уперше надійно виміряне зростання в 2 рази швидкості проходження ультразвуковых хвиль при збільшенні частоти їх коливань з 25 до 150 кГц і зменшення у часі міцнісної і деформаційної неоднорідністі, що виразилося в зменшенні коефіцієнтів варіації в середньому приблизно в 2 рази.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується збігом місць, де сталися раптові викиди вугілля і газу через неефективність захисту, фактичній наявності в породах міжпласть вапняків; практичною відсутністю зниження тиску газів у викидонебезпечних пластах після відробляння захисних пластів, якщо в міжпласті є шар вапняка. Застосуванням методів математичної статистики при обробці результатів експериментів, що допускає відносну погрішність не більше за 10% при забезпеченні надійності результатів більше за 90%; значним об'ємом (біля 2 тис.) і тривалістю (більше за рік) виконання експериментальних вимірювань.

Наукове і практичне значення роботи: наукове значення роботи полягає в тому, що вперше доведена відсутність ефекту розвантаження і дегазації викидонебезпечного пласту після відробляння захисного, якщо в породах міжпластя на певній відстані від захисного пласта залягає шар вапняка, що характеризується особливими пластичними властивостями;

практичне значення роботи полягає в тому, що комісії, що визначають щорічно у відповідності з п. 1.2.5 “Інструкції по безпечному веденню гірських робіт на пластах, небезпечних по раптових викидах вугілля, породи і газу” перелік і порядок відробляння захисних шахтопластов, виключать з їх числа ті пласти, над або під якими залягають вапняки і Кз >?9,0. Таким чином будуть запобігатися аварії, подібні тим, які мали місце раніше “через неефективність захисту”, тобто через незнання екрануючого ефекту присутності в породах міжпластя шарів вапняка.

Реалізація роботи. Положення про використання критерію захищеності прийняте МакНДІ. Центральна комісія Мінвуглепрому України по боротьбі з газодинамічними явищами розглянула це положення як обгрунтоване уперше.

Відповідно до спільного наказу Управління Держнаглядохоронпраці по Донецькій області і шахти ім. Гаевого № 483 від 23.12.98 м. пласти Тонкий і Товстий на гор. 975м, де в міжпласті залягає шар вапняка і Кз = 27,5, розробляються як одиночні.

Результати роботи використовуються в учбовому процесі: при читанні лекцій по дисципліні “Проблеми безпечної розробки викидонебезпечних пластів”.

Випробування роботи. Основні положення і окремі результати дослідження докладалися і обговорювалися на науково-практичній конференції “Шляхи розвитку гірничорятувальної справи” (жовтень 1997р., Донецьк); на науково-технічних порадах виробничого об'єднання Артемвугілля і МакНДІ (1998-99г.г.); на засіданні Центральної комісії Мінвуглепрому України по боротьбі з газодинамічними явищами (березень 1999 р.).

Публікації. Основні положення дослідження опубліковані в чотирьох статтях.

Об'єм і структура роботи. Дисертація складається з введення, трьох розділів і висновку. Вона містить 103 сторінки, в числі яких 89 стор. машинописного тексту, 14 малюнків, 10 таблиць, списку літератури з 67 найменувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Параметри захисту в цей час розраховуються відповідно до “Інструкції по безпечному веденню гірських робіт на пластах, небезпечних по раптовим викидам вугілля, породи і газу” видання 1989 р., що є додатком до розділу 5 розділу 2 ПБ. Розмір захищеної зони в покрівлю (грунт) меншає прямо пропорціонально процентному змісту () в міжпласті пісковиків.

Розгляд міжпластя як порідного масиву, що містить якийсь процент пісковиків, відноситься до необгрунтованих спрощень (розділ I), що не відображають схильність до деформацій зворотної повзучості всіх цих різновидів порід при розвантаженні.

До кінця п'ятдесятих - початки шістдесятих років дослідження ефективності першочергового відробляння захисних пластів для усунення викидонебезпеки що захищаються (далі скорочено способу) виконували, головним чином, МакНДІ, в меншій мірі ІГД АН УССР та ІГД ім. Скочинського. ДПІ: І.В. Бобров, Р.М. Крічевський, Н.А. Зайцев, І.П. Браїлко, Л.Н. Карагодін, М.Я. Рапопорт, Д.В. Дорохов, В.Л. Божко і інш.

Потім головним в галузі за способом стає ВНИМИ: В.В. Тетеревенков, І.М. Петухов, І.А. Новичихин і інш. Певний внесок у вивчення механізму захисної дії внесли фахівці, що використовують надробку для збереження стійкості підготовчих вироблень: М.П. Зборщик, В.В. Назимко і інш.

Аналіз опублікованих робіт, зроблений в I.I, приводить до цілком очевидного висновку про те, що вплив складу порід міжпластя, особливо змісту вапняка, на ефективність способу практично не вивчалося.

Тільки іноді називалися окремі випадки викидів, що відбувалися при розробці захищених викидонебезпечних пластів при міжпласті меншому або істотно меншому нормативного. Значно більше їх число розсліджувати спеціальними комісіями, відомості про яких не публікувалися і акти яких знаходяться в фондах вугільних шахт і МакНДІ.

У п'ятдесяті - шістдесяті роки в Україні панувало думка про те, що тиск газів вугільного пласта є однією з основних сил, що приводять до викидів. Такий погляд обумовив проведення МакНДІ експериментів по вимірюванню тиску газів Рг.атм., у викидонебезпечних пластах і зміні його при відроблянні захисних пластів. Думка про те, що розробка захисних пластів супроводиться зниженням тиску газів викидонебезпечних пластів підтверджувалося не у всіх випадках. Залишалося недослідженим і невстановленим, яке зниження тиску газів є необхідним для усунення викидонебезпеки і як воно взаємопов'язане з природною газоносністю пласта, Х, м3/т.с.б.м.

Особливі властивості шарів вапняків в осадочному масиві вугільних родовищ Донбасу вивчалися майже виключно з позицій технологічного характеру: вибору способу управління покрівлею для гірничо-геологічних умов, в яких породи безпосередньої покрівлі представлені вапняками.

Особливості властивостей вапняка, що зумовлюють після розвантаження протягом тривалого періоду часу запобігання зменшенню напруженості, не вивчалося.

Таким чином, відповідно до викладеного задачі дослідження формулюються як:

встановлення наявності (або відсутність) в міжпласті шарів вапняка, коли ГДЯ сталися при дотриманні параметрів способу;

вивчення впливу шарів вапняка, що залягають в породах міжпластя, на зменшення тиску газів викидонебезпечних пластів при відроблянні захисних і зв'язок тиску газу з природною газоносністю;

експериментальне вивчення а) особливостей властивостей вапняка, що формують екрануючий ефект їх шарів; б) процесів, що відбуваються в осадочному масиві після відробляння захисних пластів, якщо в міжпласті залягають вапняки.

У розділі 2 аналізується унікальний з позицій оцінки ефективності способу викид, що відбувся при виїмці вугілля в лаві пласта k3в Дерезовка-схід гор.631м на ш. ім. Гаевого (ВО Артемвугілля) 07.08.68р. (мал. 1, а), під час якого загинуло 5 гірників. Пласт розроблявся під подвійним захистом: надроблявся лавою пласта k4 Рудний потужністю 0,75 м і підроблявся лавою пласта k2 Уманський потужністю 0,67 м. По висновку комісії, розсліджувати аварію, “кутки” 4-го і 5-го уступів, в яких передбачалося виникнення викидів, знаходилися в захищеній зоні (дільниця лави У на мал. 1, б). Міжпластя Дерезовка-Рудний містить вапняк K4 потужністю 1,6 м, Дерезовка-Уманський вапняк K3 потужністю 0,3 м, в безпосередній покрівлі пласта Рудний залягає вапняк K5 потужністю 1м ( мал. 1, а).

Під час виїмки вугілля у відкаточному штреку пласта m3 Товстий шахти № 3 (ВО Орджоникидзеуголь), що розроблявся під захистом пласта m40 Пісчанка, 26.10.74р. стався раптовий викид вугілля і газу (мал. 2, б), під час якого загинуло 14 трудящих. У міжпласті знаходилося два шари вапняка, безпосередня покрівля Пісчанки представлена вапняком потужністю 0,9 м (мал. 2, а).

У фондах МакНДІ знаходиться 10 актів розслідування ГДЯ, що відбулися на ш.им. Гаевого протягом 1959-62г. г. при розробці пласта l4н Дев'ятка під захистом пласта Солоний, три з яких кваліфіковані як обвалення.

При аналогічному порядку розробки цієї пари пластів на ш.им. К.Маркса в листопаді 1971 р. сталося 3 викиди, на ш. “Ольховатська” - два викиди: 28.10.86р. і 02.04.88р. (загинуло 4 трудящих) і т.д. Аналіз складу порід міжпластя названих і інших ГДЯ привів до висновку, що всі вони сталися при міжпласті меншому нормативного, але обов'язково при наявностів ньому шарів вапняка. Деякими вченими (докторами В.Е. Забігайло, В.Г. Ніколіним і ін.) затверджувалося, що в природі тиску газів у викидонебезпечних пластах немає і передбачалося, що величини тиску газів у вугільному пласті і природній газоносності є взаємопов'язаними і що чим вище за X, тим більше вимірюється Рг, тобто Рг=f(Х). За даними раніше виконаних МакНІІ вимірювань цих величин за допомогою методів математичної статистики отримали для них статистичну залежність. Вона з урахуванням фізичної суті, розуміння того, що залишкова газоносність не бере участь в створенні тиску газів і при xy= 2,86, може бути оцінена як досить надійна:

Рг= 12,3 + 0,8Х. (I)

Залежність (I) дозволила Рг характеризувати як показник, що відображає один з трьох чинників, що формують в сукупності по акад. А.А. Скочинському потенційну викидонебезпеку.

Аналіз результатів всіх раніше виконаних МакНДІ в п'ятнадцяти викидонебезпечних шахтопластах вимірювань Рг і їх змін при відроблянні захисних пластів дозволив констатувати, що 6 з них відносяться до випадків, коли потужність міжпластя не перевищувала 20 м. Зниження тиску газів становило 100%; 96%; 99%; 93%; 100% і 91%.

Отримані результати дозволяють затверджувати, що при міжпластях, що не перевищують 15 м, захист ефективний незалежно від того, якими реально для Донбасу породами, в тому числі шарами вапняка воно складене. На основі уявлення про те, що ефект усунення викидонебезпеки зумовлюється здатністю порід міжпластя при розвантаженні до деформацій зворотної повзучості для випадків наявності в міжпласті шарів вапняків запропоноване поняття показника ефективності захисту:

Його фізична суть полягає в тому, що чим ближче вапняк до захисного пласта і чим більше потужність захисного пласта, тим менше Кз і тим більше імовірність усунення викидонебезпеки.

Всі випадки раніше виконаних вимірювань Рг, коли міжпластя було не менше за 25 м, представлені в таблиці. У ній містяться не тільки уточнені відомості про відстань до захисного пласта від шара вапняка, але і результати розрахунків критерію захищеності по (2).

Таблиця 1 До обґрунтування критерію захищеності Кз

	Шахта, викидонебезпечний пласт	Захисний пласт	Міжпластя	Відстань від шара вапняка до захисного пласта, м	Критерій эффективності захисту	Зниження тиску газів, Рг, %
Підробіток
1.	“Кочегарка”, m3	m2	30	19,6	36,3	6
2.	ІМ. Гаевого, m5	m4н	25	6,3	8,6	98
3.	ІМ. Гаевого, m3	m2	28-31	16,7	25,2	78
4.	“Червоний профинтерн”, k3	k2	45	24,6	41,0	75
Надработка
5.	“Кочегарка”, l3	l4н	30	-	-	87
6.	ІМ. Гаевого, m1	m2	42	22,6	37,7	57
7.	“Кочегарка”, l4н	l5	60	30,5	61,0	6
8.	ІМ. Дзержинского, l6	l7	72	68,0	85,0	83
9.	ІМ. Артема, m1	m4	52	48,2	83,8	77

У таблиці для випадку 1 Кз = 36,3. Можна вважати, що роль екрана шара вапняка привела до того, що тиск газів практично не змінився: зменшення всього на 6%. Таке ж незначне зменшення тиску газів було виміряне і у випадку 7.

З даних таблиці слідує, що тільки у випадку № 2 мало місце майже стопроцентное зниження тиску газів, а Кз = 8,6. Принципово цілком можливо як округлення його до 9,0, так і висновок про те, що усунення викидонебезпеки при відроблянні захисних пластів, якщо в міжпласті є шар вапняків, реальне при Кз 9,0. Як своєрідна “промислова перевірка” надійності критерію Кз 9,0 може бути представлений результат його розрахунку по (2) для викидів, що відбулися на шахтах ім. Гаевого (мал. 1) і № 3 (мал. 2).

Для першого викиду при надробітку Кз = 19,7, при підробітку Кз = 22,9. Для другого викиду по найближчому і більш видаленому від захисного пласта шарам вапняка отримали Кз = 15 і Кз = 35.

Отже, для обох викидів мінімальні значення критерію захисту перевершували критичне в 2,2 і I, 7 рази.

Експериментальне дослідження суті екранування шаром вапняка процесу усунення викидонебезпеки при відроблянні захисних пластів (розділ 3) виготовлялося в лабораторних і шахтних умовах.

У лабораторії вимірювання деформаційних і міцнісних властивостей вапняка виконувалися по пробах породи, отриманих при бурінні керновой свердловини з польового штреку пласта Тонкий гор.975 м шахти ім. Гаєвого на пласт Товстий, в міжпласті яких залягає шар вапняка.

Методична своєрідність випробувань полягала в тому, що принципове значення надавалося не абсолютним значенням властивостей породи, а змінам їх у часі після витягання проби з масиву.

Вимірювалася швидкість проходження ультразвуковых хвиль і мікроміцність вапняка. Вимірювання виконувалися відразу ж після виготовлення зразків, а потім послідовно через певні проміжки часу, наприклад, 5, 10, 15, 30 і т.д. діб.

Вимірювання швидкості проходження ультразвуковых хвиль проводилися по двох методиках, двома різними приладами (УКБ-1м і ДонДТУ).

При виборі числа випробувань (зразків) - плануванні експеримента використали підхід, що міститься в Державних стандартах СРСР на методи визначення властивостей гірських порід. У частині з них містяться рекомендації по визначенню надійності і погрішності результатів випробувань, уточненню необхідного числа n зразків.

ГОСТ 21153.8-88 на метод визначення межі міцності при об'ємному стисненні містить вимоги не тільки до масових, але і до порівняльних випробувань. Для них він допускає випробування не менш чотирьох зразків при умові забезпечення надійності результатів 90% і відносної максимальної погрішності 10%, яке і було прийнято.

У кожному циклі експериментів вироблялися випробування на тридцяти зразках, що із запасом забезпечує високу надійність результатів. Швидкість проходження подовжніх і поперечних ультразвуковых хвиль вимірювалася протягом 233 діб. Виконане 16 циклів випробувань, за результатами яких визначена швидкість проходження подовжньої ( Vпр, м/с) і поперечної ( Vпоп, м/с) хвиль. Розрахували як середні значення названих величин, так і коефіцієнти варіації Кв, %, що звичайно використовуються в математичній статистиці як відносні показники для характеристики коливаємості ознаки.

При виконанні даного дослідження розгляду коефіцієнтів варіації додається двояке значення. По-перше, він характеризує точність вимірювань. По-друге, він залежить від міри неоднорідності вапняка, що виявляється в тому, що від зразка до зразка будь-яка властивість гірської породи не незмінна, хоч методика вимірювань залишається тією ж. Отже, при збереженні ідентичності методики вимірювань збільшення або зменшення коефіцієнта варіації буде свідчити про зростання або зниження неоднорідність породи.

Аналіз експериментальних даних дозволяє, по-перше, затверджувати їх цілком достатню надійність.

По-друге, швидкості проходження ультразвукових хвиль в зразках вапняка не змінюються протягом майже восьми місяців: відмінність величин в окремих експериментальних циклах виявляється в межах точності вимірювань.

Збільшення частоти коливань ультразвуковых хвиль з 25 до 150 кГц супроводиться збільшенням швидкості проходження їх в зразках вапняка майже в 2 рази. Такий результат є новим, бо акад. Ржевський В.В. затверджував: “Швидкість поширення пружних хвиль в гірських породах... практично не залежить від частоти, а це дозволяє використати для досліджень будь-які частоти коливань”.

Більш того, при частоті коливань 150 кГц в 3,1 рази поменшав коефіцієнт варіації. Загалом цей факт, враховуючи дуже різке зменшення Кв, можна пояснити тим, що збільшення частоти коливань привело не тільки до збільшення швидкості проходження ультразвуковых хвиль у вапняку, але і “зробило” його як би менш неоднорідним для проходження цих хвиль. У цьому випадку неоднорідність може трактуватися як усунення необхідності “обійти” мікроучастки найбільш складні для пружних хвиль невисокої частоти, що становить 25 кГц, при досягненні частоти коливань приблизно 100 кГц і більш.

Загальна кількість вимірювань (1104) значна, а діапазонів зміни частот коливань всього три, що, звичайно, недостатньо для встановлення залежності V=f((). Отримані результати не тільки підтверджують думку про наявність такої залежності, але і дозволяють передбачати її вигляд: до приблизно 100 кГц це пряма пропорціональність, яка надалі по мірі збільшення частоти коливань приводить до менш інтенсивного зростання швидкості проходження ультразвука.

Саме по собі збільшення швидкості проходження хвиль і зменшення неоднорідністі по відношенню до проходження ультразвуковых хвиль частотою більше за 25 кГц нами виявлено для вапняка уперше і може заслуговувати спеціального дослідження. З позицій задач, що вирішуються воно може розглядатися, на нашій думку, як своєрідне підтвердження особливих властивостей вапняка, що зумовлюють при розвантаженні “структурну перебудову”, що приводить до зниження неоднорідність пружних деформаційних властивостей і щільність окремих мікроучастків вапняка і сприяючих ефекту екранування.

Необхідність дослідити зміну в часі міцності вапняка привела до вимірювання мікротвердості по методиці ДонДТУ, заснованій на методі відновленого відбитка, що широко використовується в металургійній промисловості згідно ГОСТ-9450-76.

Мікротвердість визначалася приладом ПМТ-3. У кожній серії випробувань проводилося 10 вимірювань, всього в п'ятнадцяти циклах 147 вимірювань протягом майже десяти місяців (282 сут). Випробуванням передувало уточнення числа вимірювань мікроміцності, які б задовольняли раніше сформульованому положенню про те, що повинна забезпечуватися надійність результатів 90% і відносна максимальна погрішність 10%.

Для вимірювань мікроміцності перпендикулярної нашаруванню при середньому Кв = 7,0% цілком достатнім виявилося 7 вимірювань. Саме за цими результатами надалі оцінювали зміну микротвердости у часі. Проводилося воно послідовно по окремих циклах випробувань, різниця у часі між якими становить 7-11-16-8 діб. Зроблений висновок про відсутність змін.

Загалом результати лабораторних випробувань дозволяють укласти, що міцнісні і деформаційні властивості вапняка у часі після розвантаження не змінюються.

Натурний експеримент виконаний на гор.975м ш.ім. Гаєвого. Своєрідність умов, в яких проводився дослід, полягає в тому, що над пластом Тонкий до вапняка залягає перешаруй вугілля потужністю біля 0,3 м, після нього вапняк, ще один перешаруй вугілля приблизно такої ж потужності і пласт Товстий потужністю 0,7 м. Можна було передбачати, що розробка пласта Тонкий повинна привести до розвантаження першого вугільного прослоя, а означає, і до збільшення швидкості газовиділення. Але при цьому не повинне статися розвантаження і збільшення швидкості газовиділення з другого прослоя і пласта Товстий, розташованого над шаром вапняка.

З польового штреку пласта Тонкий на пласт Товстий була пробурена вимірювальна свердловина, в якій загерметизована піщано-глинистою сумішшю трубка. Кут нахилу свердловини розраховувався з урахуванням того, що в нижній частині пласта m3 гор.975 м залишалася його дільниця довжиною 24 м, на якому знаходилася незахищена зона.

Швидкість газовиділення, виміряна приладом ПГ-2МА через 6 годин після закінчення буріння свердловини, становила 0,2 л/хв. Звертаємо увагу не тільки на невисоке значення швидкості газовиділення, але і на те, що воно було сумарним для двох вугільних прошарків і пласта Товстий, перебурених свердловиною. Ще через 2-3 доби вона знизилася до нульової і не зростала, поки відстань від свердловини до лави пласта Тонкий не досягло 12,7 м. Потім вона повільно протягом 73 діб зростала до величини 1,7 л/хв, після чого почалося зниження швидкості газовиділення. Вона стала нульовою приблизно через 67діб.

Незначне і “разове” збільшення швидкості газовиділення дозволяє затверджувати, що пласт Товстий при підробітку його лавою пласта Тонкий не був розвантажений через присутність в міжпласті шара вапняка.

ВИСНОВОК

При рішенні задач роботи вивчено: - по актах розслідувань ГДЯ наявність шарів вапняка в породах міжпластя, коли при дотриманні нормативних параметрів способу відбувалися раптові викиди вугілля і газу; - залежність зниження тиску газів викидонебезпечних пластів від складу порід міжпластя при під - і надробці їх захисними пластами; - зміна швидкості проходження ультразвуковых хвиль через зразки вапняка протягом приблизно восьми місяців, в тому числі при збільшенні частоти коливань від 25 до 150 кГц; - зміна мікроміцності вапняка протягом майже 10 міс.; - вплив підробітку пласта Товстий пластом Тонкий на гор.975 м шахти ім. Гаевого на усунення викидонебезпеки (більше за рік).

Результати дослідження дозволили уперше зробити наступні основні висновки.

I. У всіх розглянутих випадках офіційно розсліджувати газодинамічних явищ, пластів, що відбулися при розробці викидонебезпечних під захистом, в породах міжпласть залягали шари вапняків потужністю не менше за 0,3 м, що знаходилися на різних, нерідко значних відстанях від захисного пласту. Діапазон їх зміни становив 16-38 м.

2. При міжпласті M 15 м ефект усунення викидонебезпеки після відробляння захисних пластів підтверджується, навіть якщо в міжпласті при реальному для умов ЦРД чергуванні шарів порід знаходиться вапняк.

3. Для міжпласть, що перевищують 15 м, визначене чисельне значення критерію захищеності викидонебезпечного пласту, що складає Кз 9,0. Його обгрунтованість підтверджена не тільки експериментально, але і даними про ті, що відбулися раніше викиди при “неефективному захисті”. У всіх таких випадках критерій захищеності виявлявся більшим або істотно більше його граничного (критериального) значення.

4. Не виявлена зміна швидкості проходження ультразвуковых хвиль в зразках вапняка протягом майже восьми місяців.

5. Експериментально в лабораторних умовах для зразків вапняка цілком надійно встановлене зростання в 2 рази швидкості проходження ультразвуковых хвиль при збільшенні частоти їх коливань з 25 до 150кГц і зменшення під часі деформаційної неоднорідності, що є слідством непружного, нерозривного деформування. Покладається що заслуговує уваги надалі більш поглиблене дослідження цих процесів.

6. Вимірювання мікроміцності зразків вапняка, що виконувалися біля десяти місяців (282 діб), довели, що мікроміцність не змінилася, але міцнісна неоднорідність вапняка, якщо оцінювати її по зміні коефіцієнта варіації, поменшала більш ніж в 2 рази.

7. Натурний експеримент, виконаний в 1997-1999г. г. на гор.975м ш.ім. Гаєвого, підтвердив, що присутність шара вапняка в породах міжпластя при першочерговому відроблянні захисного пласта, якщо Кз 9, зумовлює екрануючий ефект - запобігає розвантаженню і дегазації пласта, що захищається і не усуває його викидонебезпечність.

Положення про використання критерію Кз для оцінки ефективності першочергового відробляння захисних пластів, якщо в міжпласті міститься шар вапняка, прийняте МакНДІ, розглянуто як обгрунтоване уперше Центральною комісією Мінвуглепрому України по боротьбі з газодинамічними явищами. Відповідно до спільного наказу Управління Держнаглядохоронпраці по Донецькій обл. і шахти ім. Гаєвого № 483 від 23.12.98 м. пласти Тонкий і Товстий на гор.975м, де в міжпласті залягає шар вапняка і Кз = 27,5, розробляються як одиночні.

Результати роботи використовуються в учбовому процесі: при читанні лекцій по дисципліні “Проблеми безпечної розробки викидонебезпечних пластів”, ДонДТУ.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Ніколін В.Г., Агафонов А.В., Гончаров А.Д. Вплив складу порід міжпластя на параметри зон захисту і його класифікація //Вугілля України.- 1998.- № 1. - С.32-35.

2. Ніколін В.Г., Агафонов А.В., Гончаров А.Д. Експериментальна оцінка впливу вапняків міжпластя на ефективність захисту при підробітку і надробітку викидонебезпечних пластів //Безпека труда в промисловості.- 1998.- № 4. - С.21-23.

3. Ніколін В.Г., Рижків А.А., Гончаров А.Д. Експериментальне дослідження фізичної суті екрануючого ефекту вапняків міжпластя при розробці захисних пластів //Вісті Донецького гірського института.- 1998.- № 2(8).- С.42-48.

4. Залежність виникнення викидів вугілля і газу від технології розкриттів пластів польовими виробленнями //Подкопаєв С.В., Вороб'йов Е.А., Гончаров А.Д. і інші //Вісті Донецького гірського института.- 1997.-№ I (5).- C.2I-25.

5. Ніколін В.Г., Гончаров А.Д. Уточнення параметрів захисту для запобігання аваріям //Тр. науково-практичної конференції по гірничорятувальній справі.- Донецьк: Респіратор.- 1997.- С.19-20.

Особистий внесок претендента в публікаціях

/I/ - встановлена приуроченість викидів, що відбулися через "неефективність захисту", до місць залягання в породах міжпласть шарів вапняка; обгрунтована достовірність критерію захищеності.

/2/ - показана практична відсутність зниження тиску газів викидонебезпечних пластів після відробляння захисних, якщо в міжпластях залягають шари вапняків, що зумовлюють екрануючий ефект.

/З/ - встановлені на основі експериментальних вимірювань три нових положення: незмінність швидкості проходження ультразвуковых хвиль і мікроміцності вапняків у часі; зростання швидкості проходження ультразвуковых хвиль через вапняки при збільшенні частоти коливань від 25 до 150 кГц; зменшення прочностной і деформаційної неоднорідність вапняків у часі, що складає біля десяти місяців.

/4/ - доведений зв'язок обвалення нависаючого масиву крутих викидонебезпечних пластів сімнадцяти шахт ЦРД з складом порід міжпласть.

/5/ - пояснені присутністю шарів вапняка причини неефективності захисту при дотриманні нормативних параметрів, уперше запропонований критерій захищеності.

Размещено на Allbest.ru

...