Актуальність теми. Одним з основних факторів, що забезпечують економічний і соціальний розвиток України, є ефективна робота вуглевидобувної галузі, збільшення обсягів видобутку вугілля і поліпшення його якості. Розв'язання цього глобального завдання значною мірою забезпечується збільшенням навантажень на лави, що вимагає технічного переоснащення шахт, удосконалення технології гірничих робіт, що, у свою чергу, висуває нові вимоги до інформації щодо кількості та якості вугілля, що видобувається.

Облік видобутку рядового вугілля є відповідальним завданням маркшейдерської служби шахти, тому що лежить в основі визначення руху запасів корисної копалини, сприяє правильній організації й оплаті праці, плануванню гірничих робіт.

Гірничо-геологічні і гірничотехничні умови відпрацювання вугільних пластів (високі швидкості посування очисних вибоїв, оснащених устаткуванням нового технічного рівня, збільшення глибини розробки, відпрацювання запасів на ділянках геологічних порушень тощо), що змінюються, ускладнюють об'єктивну оцінку кількості і якості вугілля, що видобувається. Ці показники оцінюються трьома видами обліку: бухгалтерським, статистичним і маркшейдерським. Маркшейдерський облік заснований на інструментальних замірах безпосередньо у виробках. В силу впливу багатьох факторів саме цей метод має найбільші похибки. Головними факторами, що знижують об'єктивність маркшейдерських вимірів є: зменшення потужності пласта безпосередньо у вибої лави, тектонічна порушеність тощо. Відсутність науково обґрунтованих параметрів маркшейдерського обліку перешкоджає визначенню достовірних обсягів видобутку з лав. Тому удосконалення методики обліку видобутку рядового вугілля в очисному вибої з урахуванням гірничо-геологічних, геомеханічних і технологічних факторів є актуальним науково-технічним завданням.

Науковою задачею роботи є встановлення закономірностей деформування вугільного пласта безпосередньо у вибої лави, викривленості лінії очисного вибою і показників мінливості геологічних параметрів розривних порушень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалася в 2002-2005 роках на шахтах ВАТ "Павлоградвугілля" як складова частина наукових досліджень, проведених НГУ (тема 010165 "Дослідження впливу параметрів напружено-деформованого стану гірського масиву на ведення очисних і підготовчих робіт в умовах шахти "Степова" ДХК "Павлоградвугілля", № ДР 0102U004377 і ГП-341 "Розробка і впровадження моделі впливу техногенних факторів на геомеханічні процеси у структурно-неоднорідному гірському масиві", № ДР 0104U000783). Робота автора включена до програми Мінпаливенерго України (пр. № 133-р від 28.09.04) з розробки "Керівництва з виконання маркшейдерських замірів та розрахунку обсягів видобутку вугілля за їх результатами".

Метою роботи є удосконалення методики маркшейдерських робіт для підвищення точності та оперативності обліку видобутку вугілля в комплексно-механізованих лавах.

Ідея роботи полягає у комплексному використанні закономірностей деформування привибійної частини вугільного пласта, технологічних параметрів відпрацювання порушених вугільних пластів з метою визначення обсягів видобутку вугілля за маркшейдерськими вимірами.

Для досягнення мети роботи поставлені і розв'язані такі завдання:

У вступі обґрунтована актуальність обраного напрямку досліджень, сформульовані мета й ідея досліджень, викладені наукові положення, що виносяться на захист, наукове і практичне значення роботи, а також дані про впровадження і публікацію результатів досліджень.

У першому розділі "Стан вивченості питання і постановка задач досліджень" виконаний аналіз досліджень, пов'язаних з маркшейдерським забезпеченням гірничих робіт і обліком видобутку корисної копалини. Дослідження в цій галузі виконані Д.А. Казаковським, М.І. Глейзером, В.М. Буцем, В.А. Боєвим, В.І. Філатовим, О.С. Зеленським та ін. Головним напрямком досліджень в галузі обліку видобутку вугілля підземним способом було визначення похибок окремих вихідних даних маркшейдерського виміру, пов'язаних з інструментальними погрішностями вимірів. Результати цих досліджень покладені в основу нормативної бази з обліку обсягів видобутку рядового вугілля.

Виконаний порівняльний аналіз видобутку вугілля за статистичними даними і за даними маркшейдерських замірів на шахтах Західного Донбасу свідчить про недосконалість існуючої системи обліку видобутку вугілля, про наявність систематичних помилок обліку, що вказує на необхідність додаткового дослідження факторів, що їх викликають.

Існуюча методика визначення обсягів видобутку вугілля практично не враховує деформування пласта, що виймається, і гірських порід у зоні стиску, чим на наш погляд, в основному й обумовлені деякі відмінності результатів розрахункових значень обсягів видобутку вугілля за даними маркшейдерських вимірів з даними статистичного обліку.

Питанням деформування вугільного пласта і порід, що його вміщають, у зоні опорного тиску присвячені роботи Земісева В.Н., Акимова О.Г., Пєтухова І.М., Зборщика М.П. та ін. Але, незважаючи на досить великий обсяг натурних і аналітичних досліджень деформування вугільного пласта, питання впливу геомеханічного стану вугільного пласта в привибійній частини на точність маркшейдерського обліку видобутку вугілля не враховується. При маркшейдерському обліку видобутку повинні враховуватися не тільки фактично вимірювані величини потужності вугільного пласта, але й процеси, що відбуваються в зоні опорного тиску.

Наявність у регіоні великої кількості диз'юнктивних порушень викликає необхідність у розробці рекомендацій із планування і визначення обсягів видобутку при переході лавою розривного порушення, з урахуванням геометричних параметрів порушення і технологічних параметрів переходу.

Технологія маркшейдерського заміру передбачає виконання зйомки лави, що за наявності сучасної техніки і високих темпів просування, значно ускладнює і сповільнює процес визначення площі виробленого простору. Разом з тим, дослідження викривленості лінії очисного вибою, оснащеного високопродуктивною сучасною технікою, дадуть можливість виявити закономірності, використання яких дозволить уточнити методику маркшейдерської зйомки очисного вибою без втрати точності.

На підставі вищевикладеного зроблені висновки про необхідність удосконалювання методики маркшейдерського обліку видобутку вугілля, яка б враховувала специфіку даного регіону і досягнутий рівень механізації виробничих процесів.

У другому розділі "Оцінка впливу техногенних факторів на точність обліку видобутку вугілля" досліджувався геомеханічний стан вугільного пласта безпосередньо у вибої лави.

Виходячи з того, що під впливом опорного тиску відбувається стиск вугільного пласта і видавлювання його в бік виробленого простору, робиться припущення, що потужність пласта, яка фіксується під час виміру, є заниженою в порівнянні із фактичною. Внаслідок цього закладається систематична похибка при визначенні обсягу видобутку вугілля. Автором розроблена методика проведення експериментальних робіт з визначення величини зміни потужності вугільного пласта безпосередньо у вибої лави.

Ця методика дозволяє на підставі порівняльного аналізу за даними замірів в очисних вибоях і замірів при проведенні підготовчих виробок визначати виправлення до вимірюваної потужності (т), зумовлене деформуванням краю вугільного пласта опорним тиском і віджимом вугілля.

У результаті експериментальних вимірів встановлено, що потужність вугільного пласта, що фіксується під час маркшейдерського виміру, менше геологічної на величину до 6% від потужності пласта. Величина Дm залежить від багатьох факторів, взаємовплив яких характеризує її як статистично випадкову величину, розподіл якої описується показовою функцією

f (m) = 0,7е^-0,47m

Встановлено, що найбільший вплив на величину зміни потужності вугільного пласта в умовах Західного Донбасу становлять глибина розробки, фізико-механічні властивості порід, що його вміщають, і швидкість просування лави.

У ході аналізу даних натурних спостережень встановлено, що поправка до вимірюваної потужності пласта для пластів, у покрівлі яких відсутні міцні породи, прямо пропорційна глибині розробки і обернено пропорційна швидкості просування очисного вибою.

При наявності в покрівлі пласта пісковику, потужністю не меншою від потужності пласта, що виймається, поправка до вимірюваної потужності не корелює з глибиною і швидкістю посування очисного вибою.

Поправка є практично постійною і приймає значення до 1,5% від потужності пласта. Отримані закономірності для умов ш. ім. Героїв Космосу представлені на рис. 1.

У результаті узагальнення експериментальних даних отримана аналітична залежність для визначення Дm у залежності від глибини розробки Н і швидкості просування лави V, яка має вигляд

, см (1)

Номограма для визначення Дm у залежності від глибини розробки і швидкості просування лави наведена на рис.2.

Підтвердженням вірогідності отриманих результатів служить задовільна збіжність результатів шахтних вимірів величини зближення покрівлі і підошви пласта у вибої лави в умовах ш. "Степова" (36 мм) з їх розрахунковими значеннями (40 мм).

а

б

Рис. 1. Залежність поправки Дm від: а - глибини розробки; б - швидкості просування лави; 1 - при наявності пісковику; 2 - при відсутності пісковику

Рис. 2. Номограма для визначення Дm (пісковик у покрівлі пласта відсутній)

У третьому розділі "Дослідження точності маркшейдерського обліку видобутку вугілля при переході розривних порушень" визначені параметри, що впливають на видобуток чистого вугілля при переході диз'юнктивів, і ступінь впливу їх мінливості на точність маркшейдерських вимірів.

Питанням переходу порушення присвячені дослідження Скуби В.М., Кіржнера Ф.М., Халимендика Ю.М. та ін. На підставі аналізу цих робіт прийнято до розгляду чотири принципові схеми переходу порушення: у залежності від відношення вертикальної амплітуди зміщення крил диз'юнктива А і потужності пласта m та від характеру присічки бічних порід (рис. 3,4).

а) б)

Рис. 3. Симетрична схема переходу порушення: а) А>т; б) А<т

а) б)

Рис. 4. Однобічна схема переходу порушення: а) А>т; б) А<т

На основі аналітичних досліджень для кожної схеми переходу отримана залежність для визначення обсягу вугілля, що видобувається, яка враховує геометричні параметри порушення і технологічні параметри переходу.

Виконані дослідження вказують, що найбільший вплив на точність визначення обсягів видобутку мають параметри, що змінюють свої значення в процесі відпрацьовування, а саме амплітуда і кут зустрічі порушення очисним вибоєм.

Похибки визначення обсягу вугілля, що видобувається, для схеми переходу на рис. 3, 4, а і 4, б відповідно, характеризуються залежностями:

(2)

(3)

(4)

де ц - загальний кут зміни нахилу секцій кріпи при переміщенні з одного крила на інше; п - кількість смуг виїмки вугілля і породи під час руху секцій по опуклості або увігнутості; ш - кут зміни нахилу секцій на одній смузі виїмки; Д - ширина захвату виконавчого органу комбайну; В - просування очисного вибою, м; л - кут зустрічі лавою порушення; г - об'ємна вага вугілля.

З метою визначення чисельних значень мінливості амплітуди (т_а) і кута зустрічі порушення очисним вибоєм (т_л) виконані спостереження за геометричними параметрами диз'юнктивів і поширенням лінії схрещення площини зміщувача із пластом при переході лавами розривних порушень.

На основі обробки фактичного матеріалу встановлено, що величина мінливості кута зустрічі очисним вибоєм площини зміщувача розривного порушення складає ±10°. У результаті статистичної обробки експериментальних даних (рис.5), отримана залежність для визначення величини мінливості стратиграфічної амплітуди розривного порушення, що описується формулою

т_а = 0,11А+0,05. (5)

Коефіцієнт кореляції r=0,93.

Рис. 5. Графік мінливості амплітуди диз'юнктива

На підставі формул (2, 3, 4,5) складені номограми (рис.6), для визначення коефіцієнта к, що враховує співвідношення амплітуди А та потужності вугільного пласта m, кута зустрічі порушення лавою л, і кута зміни нахилу секцій кріпи при переміщенні з одного крила на інше ц.

а

б

в

Рис. 6. Номограма для визначення коефіцієнта к: а - симетрична схема переходу порушення, б - однобічна схема (А>т); в - однобічна схема (А<т)

З урахуванням коефіцієнта к вирази 2,3,4 приймуть узагальнений вигляд:

(6)

(7)

(8)

На підставі аналізу й обробки результатів спостережень пропонується наступна класифікація для визначення періодичності виконання замірів потужності (табл. 1).

Показником інтенсивності зміни амплітуди порушення є відношення різниці амплітуд у виїмкових штреках до розмірів порушеної ділянки по простяганню.

Таблиця 1

Періодичність проведення замірів потужності пласта в залежності від інтенсивності зміни амплітуди в межах виїмкової ділянки

За періодичності проведення замірів потужності пласта відповідно до даної класифікації похибка визначення обсягу видобутку вугілля за маркшейдерськими замірами буде відповідати пропонованому значенню, визначеному за номограмами (рис. 6), що дозволить об'єктивно, досить точно і просто визначати обсяги видобутку вугілля з очисного вибоя, що переходить розривне порушення.

У четвертому розділі "Точність визначення площі виробленого простору" виконано дослідження ступеня впливу викривленості лінії вибою на точність визначення площі виробленого простору.

Лінія очисного вибою не є прямою. Її форма залежить від багатьох параметрів, серед яких - технічні характеристики механізованого комплексу. Маркшейдерська зйомка очисного вибою виконується по точках, розташованих на відстані 20 м друг від друга. Аналіз результатів 16 зйомок показав, що відхилення лінії вибою від середнього слід розглядати як випадкову функцію аргументу Дд, пов'язаного з довжиною лави.

Встановлено, що математичне очікування випадкової функції, що описує лінію очисного вибою за довжиною лави для очисних вибоїв шахт Західного Донбасу, змінюється незначно (рис.7).

Рис. 7. Відхилення лінії очисного вибою від середнього значення: 1 - 506 - я лава ш. "Благодатна"; 2 - 409-я лава ш. "Благодатна"; 3 - 1044-я лава ш. ім. Героїв Космосу; 4 - 578-я лава ш. "Ювілейна"; 5 - 561-я лава ш. "Ювілейна"; 6 - 667-я лава ш. "Ювілейна"; 7 - математичне очікування випадкової функції лінії очисного вибою (m_L)

На підставі загального статистичного аналізу відхилення лінії вибою від середнього зроблений висновок щодо стаціонарності аналізованої випадкової функції.

Ступінь залежності між відхиленнями від середнього значення і перетинами випадкової функції (Дl=5 м), що відносяться до різної довжини лави, характеризує кореляційна функція (рис. 8).

Рис. 8. Нормовані кореляційні залежності випадкових функцій лінії вибою: 1-3 - експериментальні дані; 4 - середня арифметична реалізацій випадкової функції

Характер розподілу с (Дl) свідчить про те, що при збільшенні інтервалу нормована кореляційна функція кожної реалізації асимптотично наближається до нуля. Це дозволяє припустити, що функція, яка описує лінію очисного вибою, має ергодичні властивості.

Виконані дослідження вказують, що похибка визначення площі виїмки на підставі зйомки лави, виконаної відповідно до діючої інструкції, з інтервалом між вимірами 20 м, можна порівняти з погрішністю апроксимації лінії вибою прямою лінією.

Тому при використанні сучасних механізованих комплексів впливом викривленості лінії вибою можна знехтувати, і просування вибою досить визначити як середнє просування, зафіксоване по двох виїмкових штреках.

На підставі цього запропоновано площу виїмки визначати за спрощеною методикою за спеціальними мітками у шахті, перпендикулярним виїмковим штрекам. Розроблений спосіб контролю положення механізованого комплексу дозволить значно знизити трудомісткість робіт з визначення площі виїмки і підвищити точність її визначення за рахунок виключення похибок графічних побудов і визначення кута падіння пласта.

Висновки