Инструментально-аналитическое исследование смещений пород кровли на участке вентиляционного штрека по данным замерной станции

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Инструментально-аналитическое исследование смещений пород кровли на участке вентиляционного штрека по данным замерной станции

В.Т. Преслер (д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник Института угля СО РАН)

Рассмотрен аналитический подход к обработке результатов натурных наблюдений по конвергенции пород кровли относительно почвы, полученных посредством реперной замерной станции на участке вентиляционного штрека лавы 52-03 шахты «Котинская» при сближении с очистным забоем. В результате применения подхода установлены закономерности деформирования пород кровли в области действия опорного давления лавы (экспоненциальный рост интегральных смещений, волнообразное их изменение относительно этого роста, зависимость от скорости подвигания лавы) и параметры геомеханического состояния участка при подходе лавы (размеры блочных структур, протяженности зон предельно-напряженного состояния и разрушения угольного пласта).

Ключевые слова: ИНСТРУМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, ЗАМЕРНАЯ СТАНЦИЯ, ДЕФОРМИРОВАНИЕ ПОРОД, ЗОНА ПРЕДЕЛЬНО-НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПЛАСТА, ЗОНА РАЗРУШЕНИЯ

штрек шахта вентиляционный

В данной работе рассмотрим подход к обоснованию геомеханических параметров породного массива в окрестности выработок, подверженных действию опорного давления лавы при отработке угольных пластов. Этими параметрами являются протяженности зон предельно-напряженного состояния (ПНС) и разрушения угольного пласта, играющие важную роль, во-первых, в расчетах анкерного крепления выработок, и, во-вторых, в определении размеров устойчивых целиков. Под ПНС понимается зона, на границе которой устойчиво проявляется действие опорного давления лавы, т.е. породы кровли начинают деформироваться, что приводит к явному их смещению, доступному ручному измерению. Подход основан на инструментально-аналитических исследованиях конвергенции пород кровли (их смещений) по данным реперных замерных станций (ЗС), полученных на отдельных участках выработок в течение времени подхода к ним очистного забоя. Натурные замеры проводились в вентиляционном штреке 52-03 шахты «Котинская» в районе пикета 80-81, оборудованного ЗС с тремя почвенными реперами.

На начало наблюдения лава относительно реперов ЗС находилась соответственно на удалении 31,7; 32,9 и 20,5 м. По горнотехническим причинам наблюдения были прекращены при достижении ею расстояния 2,7 м между репером 3 и створом лавы. На рисунке 1 приведена схема размещения контурных реперов на ЗС 1. В таблице 1 представлены обработанные результаты этих наблюдений: номера замеров i =1-20, текущее время замеров t, расстояния от реперов до текущего положения лавы Lni, интегральные смещения пород кровли в месте установки реперов на моменты проведения замеров Uni,=rni-rn0, где rn0, rni - расстояния от репера n до хвостовика анкера на момент проведения опорного (i=0) и i-го замера, n=1-3 - номер репера. При проведении анализа за начало отсчета принималось начало наблюдения i =1.

Движение лавы за весь период наблюдения, составляющий 55 ч, представлено четырьмя временными интервалами с разной скоростью движения и двумя интервалами остановки лавы (рисунок 2, прямоугольники со стрелкой). На рисунке линейный тренд данных серого цвета характеризует среднюю скорость движения лавы v* = 0,63 м/ч в течение всего периода наблюдения.

Таблица 1 - Смещения пород кровли вентиляционного штрека 52-03 в месте установки реперов 1, 2, 3

Рисунок 1 - Замерная станция в районе пикетов 80-81 вентиляционного штрека 52-03: 1, 2, 3 - почвенные реперы (3 - сопряжение со сбойкой), 4 - замерная скважина в породах кровли, оборудованная глубинными реперами

Рисунок 2 - Движение забоя лавы до репера 1

Линейные тренды черного цвета характеризуют скорости движения лавы vj, j = 1-4 на выделенных интервалах. На первом и четвертом интервалах лава двигалась фактически с одинаковой скоростью (0,54 и 0,53 м/ч). На втором и третьем интервалах скорости также были близки (0,8 и 0,77 м/ч). Наибольшее и наименьшее значения скорости отличаются от средней скорости v* на 27 и 16 % соответственно. В течение длительного времени, составляющего 30 ч, лава двигалась с достаточно высокой скоростью - стружка в час.

На рисунке 3 по данным интегральных смещений пород в местах расположения реперов (таблица 1) в зависимости от времени построены их экспоненциальные тренды. Здесь и далее используются линии: для репера 1 - черная, для репера 2 - штриховая черная, для репера 3 - толстая серая. Как следует из рисунка, эти смещения хорошо аппроксимируют экспоненциальные зависимости вида:

, n=1-3, (1)

где Un0 - смещение в начальный момент наблюдения, мм; n - показатель роста смещений во времени, 1/ч; n - номер репера. Достоверность аппроксимации R2>99%.

Рисунок 3 - Интегральные смещения пород по данным реперов 1, 2, 3 в зависимости от времени

Как видно из рисунка 3, наибольшее значение показателя роста смещений пород (крутизна) соответствует реперу 3 (висячий бок пласта на сопряжении со сбойкой) и равно 0,0848 1/ч. Наименьшее его значение, равное 0,0663 1/ч (на 22% меньше) - реперу 1. Значение показателя в месте установки репера 2 (0,0676) всего на 2% больше значения показателя репера 1, что соответствует близости расположения этих реперов. На рисунке показано, что для достижения породами у репера 2 уровня смещения пород, как у репера 1, потребуется еще 3,6 ч подвигания лавы. Для расчета этого времени запаздывания процесса деформирования t использовано уравнение интегральной близости трендов , решая которое получим:

.(2)

Полагая T1=5,5 ч (2-й замер), T2=55 ч (последний замер), из формулы (2) получим t=3,6 ч.

На рисунке 4 по тем же данным интегральных смещений пород, но предположительно в зависимости от обратного хода лавы (от реперов к исходному положению лавы, l=L0n-L, n=1-3, где L0n - расстояния от забоя лавы до реперов в начальный момент времени) построены их экспоненциальные тренды. Достоверность аппроксимации, как и в предыдущем случае (рисунок 3), столь же высока R2>98,7%.

Рисунок 4 - Интегральные смещения пород по данным реперов в зависимости от подвигания лавы

Тренды описываются экспоненциальными зависимостями вида:

, n=1-3, (3)

где индекс l указывает на систему координат l0U в отличие от системы t0U в предыдущем случае; Uln0 - смещение в начальный момент наблюдения, мм; n - показатель спада смещений с обратным ходом лавы, 1/м; n - номер репера. Как нетрудно заметить, показатели роста и спада смещений через среднюю скорость v* связаны соотношением n=nv*, где для интервала наблюдения за реперами 1, 2, составляющего T1=55 ч, v*=0,63 м/ч, а для интервала наблюдения за репером 3, составляющего T3=39 ч, v*=0,6 м/ч. Отметим, что , т.е. сокращение в 1,4 раза интервала наблюдения за репером 3 по сравнению с репером 1 приводит к увеличению показателя спада смещений его тренда на ту же величину, поскольку в этом случае не захватывается начальный интервал процесса деформирования пород. При равных интервалах наблюдения следует ожидать .

На рисунке 4 показано, что для достижения репером 2 уровня смещений репера 1 наблюдение за ним следовало бы начать несколько позже, т.е. после подвигания лавы на l=1,12 м, что примерно равно расстоянию между этими реперами (1,2 м). Как и в предыдущем случае, это подвигание l находим из уравнения интегральной близости трендов . Решая его, получим:

.(4)

Отметим, что м/ч, это примерно равно средней скорости подвигания лавы 0,33 м/ч с учетом остановки забоя в течение первых 10 ч наблюдения.

На рисунке 5 представлены разности смещений пород 3 и 4 для реперов 1, 2 на двух интервалах t3[26, 34] и t4[46, 55] ч, соответствующих скоростям подвигания лавы v3=0,77 м/ч и v4=0,53 м/ч. Разности аппроксимированы экспоненциальными трендами вида , j=3, 4. Для скоростей подвигания лавы vj на этих интервалах и средних скоростей изменения разностей vj на этих же интервалах справедливо соотношение v4v4=2v3v3, где , мм/ч. Таким образом, уменьшение скорости подвигания лавы вызывает рост скорости изменения разности смещений, в два раза превышающий по величине это уменьшение.

Рисунок 5 - Разности смещений пород, построенные по данным реперов 1, 2

На рисунке 6 представлены результаты статистического анализа отклонений смещений от их экспоненциальных трендов, где sn, n=1-3 - среднеквадратические отклонения (выборочные дисперсии), рассчитанные стандартным образом [1]. Как видно из рисунка, почти все отклонения от трендов (за исключением одного-двух наблюдений для каждого репера, которые на рисунке выделены пунктирными линиями) входят в свой коридор 2sn. Если бы эти отклонения представляли собой реализации случайного процесса, то можно было бы утверждать, что они подчиняются закону нормального распределения вероятностей и с доверительной вероятностью почти 95% входят в коридор 2sn. Однако эти отклонения, как будет показано ниже, имеют другую физическую природу. Отметим, что отклонения от трендов проявляют волнообразность.

Рисунок 6 - Отклонения смещений реперов 1, 2, 3 от их экспоненциальных трендов

На рисунке 7 представлены данные по скоростям деформации пород, рассчитанные по смещениям реперов 1, 2, 3 (), и их экспоненциальные тренды вида , n=1-3. Изменение скоростей деформации пород относительно своих трендов, как и в предыдущем случае, носит волнообразный характер. Относительная разность показателей трендов смещений и их скоростей не превышает 5,5% для реперов 1, 2 и 2% для репера 3, что обусловлено погрешностью исходных данных. Следовательно, можно считать эти показатели идентичными друг другу. То же относится и к примерному равенству величин Vt.nnUt.n, относительная разность которых для реперов не превышает 4%. Отсюда справедливы выражения:

. (5)

Рисунок 7 - Скорости деформации пород у реперов 1, 2, 3 в зависимости от времени

Проведенный анализ говорит о том, что закрепленные анкерной крепью в вентиляционном штреке и на его сопряжении со сбойкой породы кровли ведут себя предсказуемо, плавно, без эксцессов деформируясь с подходом лавы. В общем случае с учетом связи показателей и тенденция роста их смещений описывается линейным дифференциальным уравнением первого порядка [1]:

. (6)

Решением уравнения (6) при v=const является функция вида , t>t00, где v - средняя скорость подвигания лавы на интервале [t0, t]; - показатель спада смещений в системе координат Ul0l, зависит от горно-геологических условий проведения выработок (для наших условий с точностью до 3-го знака можно принять ). Как видим, решение уравнения (6) зависит не только от времени, но и от скорости подвигания лавы.

Представим отклонения смещений реперов от их трендов в системе координат l0Ul (рисунок 8). Проявляемый волнообразный характер поведения этих отклонений связан с дополнительными разгрузками (ниспадающая ветвь волн) и пригрузками (восходящая ветвь волн) пласта, обусловленными увеличением длины консоли основной кровли за счет выемки угля и ее периодическим обрушением. Для пород в области репера 3 (сопряжение сбойки с вентиляционным штреком) выделяются три цикла пригрузки/разгрузки (на рисунке отмечены точечными линиями серого цвета) протяженностью около 7 м. Причем характер деформирования на первых 11 м подвигания лавы аналогичен характеру деформирования пород в области реперов 1 и 2. Это видно из кривой отклонений смещений репера 3, перемещенной в точку (штриховая стрелка) его установки (тонкая кривая серого цвета). Однако в дальнейшем отклонения реперов изменяются в противофазе, что связано со структуризацией пород и формированием блочных структур, взаимодействующих друг с другом подобно рычагам. Опускание выдвигающейся консоли-блока вызывает подъем его задней части и передней части следующего блока, что, в свою очередь, обуславливает опускание задней части этого следующего блока. Блоки слегка разворачиваются в местах своих стыков, естественно, в противофазе.

Рисунок 8 - Отклонения смещений реперов 1, 2, 3 от их трендов в зависимости от подвигания лавы

Для пород в области установки реперов 1, 2 также выделены три цикла пригрузки/разгрузки (на рисунке отмечены точечными контурами черного цвета) протяженностью 9, 16 и 8 м. Средний цикл по протяженности фактически вдвое превышает остальные. Это обусловлено тем, что структурируемые перед закрепленной анкерами сбойкой породы продолжают вести себя как единый цельный блок, хотя их уже фактически два. Реперы 1, 2 в данном случае не улавливают формирования блочных структур перед сбойкой. Таким образом, можно говорить о четырех циклах пригрузки/разгрузки, протяженность которых составляет 8…9 м. Протяженностями формируемых блоков в конечном итоге определяют шаги обрушения кровли, которые до подхода лавы к сбойке в среднем составляют 7 м, а после ее прохода - около 8 м.

Выделим из процесса деформирования пород, представленного на рисунке 7, его волновые составляющие по всем трем реперам. Для этого вычтем из данных по скоростям деформирования значения их трендов в соответствующие моменты времени. Для упрощения анализа результатов этого выделения, представленных на рисунке 9, построим среднеарифметическую кривую деформирования согласно данным реперов 1, 2 (кривая выделена черной жирной линией). В силу близости этих данных кривая фактически совпадает с кривыми реперов. На рисунке дополнительно выделены интервалы с разными скоростями подвигания лавы, где ОЛ - остановка лавы.

Рисунок 9 - Временная картина процесса деформирования пород кровли по данным реперов 1, 2, 3

Для оценки интенсификации процесса деформирования пород с приближением лавы к местам установки реперов введем в рассмотрение обобщенную величину деформирования - аналог ускорения (в мм/ч2). Будем рассчитывать ее как отношение разности наибольшего и наименьшего значений скоростей деформирования в цикле разгрузки/пригрузки к его периоду для репера 3 либо к его полупериоду для усредненной кривой реперов 1, 2. Саму интенсификацию процесса тогда будем оценивать соотношением ускорений в циклах разгрузки/пригрузки. На рисунке 9 для репера 3 выделены два таких цикла 1 и 2 (точечные контуры серого цвета), для которых это соотношение равно 8. Для реперов 1, 2 выделены три полуцикла 1, 2, 3 (точечные контуры черного цвета), для которых это соотношение равно соответственно 4 для первого и второго полуциклов и 8 для второго и третьего полуциклов.

Реперы 1 и 2 установлены в 1 м от лежачего бока пласта. Вследствие этого они характеризуют деформацию его краевой зоны и величину перемещений боковых пород внутрь выработки. Смещения кровли начались фактически сразу после установки контурных реперов, а скорости смещений на момент начала наблюдений были значительно больше нуля (более 0,16 мм/ч согласно рисунку 7). Вследствие этого можно предположить, что протяженность зоны ПНС пласта практически соответствует расстоянию от репера 2 до забоя лавы, составлявшему на начало наблюдения около 33 м. Значительная интенсификация процесса деформирования пород для реперов 1, 2 (4-8 раз) начинается за 11 м до подхода лавы. Для репера 3 эта интенсификация (8 раз) начинается за 14 м до подхода лавы (рисунок 9, таблица 1). Это свидетельствует о входе лавы в зоны разрушения пласта. Следовательно, расстояние в 10,5 м можно принять за размер зоны разрушения пласта в вентиляционном штреке, а расстояние в 13,5 м - за размер зоны разрушения пласта на его сопряжении со сбойкой. Различие в этих расстояниях обусловлено различием в площадях обнажения пород, на сопряжении эта площадь существенно больше.

В заключение отметим следующее. Установлена тенденция экспоненциального роста смещений пород кровли с приближением лавы к местам установки реперов как в зависимости от времени, так и в зависимости от хода лавы. При этом показатель роста этих смещений линейно зависит от средней скорости подвигания лавы. Показано, что процесс деформирования пород описывается простым линейным дифференциальным уравнением первого порядка. Для процесса деформирования наряду с ростом интегральных смещений характерны меньшие по интенсивности дополнительные пригрузки/разгрузки пласта, проявляющие волнообразный характер. Они обусловлены взаимодействием блочных структур, формируемых в результате выдвижения консоли пород, и их периодическим обрушением в выработанном пространстве. Детальный анализ волновой составляющей процесса деформирования позволяет установить размеры этих блочных структур (в свою очередь, они определяют шаги обрушения кровли) и размеры зон разрушения разрабатываемого пласта и его предельно-напряженного состояния. Все результаты и графики, представленные в данной работе, получены в рамках широко известного программного средства Excel, что указывает на широкие возможности применения описанного подхода технологами шахт.

азмещено на Allbest.ru