Прогнозирование расположения потенциально опасных зон в шахтных полях на основе геометрии залегания угольных пластов в горном массиве

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

© В. И. Пилюгин, В. И. Аворников, А. Е. Кочин, В. И. Каменей,
И. А. Ефремов, 2003
УАК 622. 273
В. И. Пилюгин, В. И. Аворников, А. Е. Кочин,
В. И. Каменей, И.А. Ефремов
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАСПОЛОЖЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ЗОН В ШАХТНЫХ ПОЛЯХ НА ОСНОВЕ ГЕОМЕТРИИ ЗАЛЕГАНИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В ГОРНОМ МАССИВЕ
Сростом глубины условия добычи угля все более усложняются. Помимо традиционного снижения устойчивости подготовительных выработок, увеличения объемов обрушений пород в очистных забоях, повышения вероятности внезапных выбросов происходят также и качественные изменения проявлений горного давления. Это выражается в появлении ситуаций, которые характеризуются уже целой совокупностью одновременно протекающих сопряженных геомеханических и газодинамических процессов и явлений [1]. Именно они привели в последние годы к ряду крупных аварий на угольных шахтах Украины. Все это заставляет по-новому переосмысливать все аспекты угледобычи и, в частности, вопросы прогнозирования расположения потенциально опасных зон в шахтных полях на основе более детального анализа геологических данных.
Основные разрабатываемые угольные пласты Донбасса характеризуются пологим залеганием, относительно выдержанными по величине углами падения и мощностью. Весьма незначительно также изменяются параметры залегания основных породных слоев вмещающей толщи: маркирующих известняков, песчаников, алевролитов и аргиллитов. Таким образом, горный массив представляет собой своего рода «слоеный пирог», состоящий из параллельно расположенных в пространстве угольных и породных слоев. Это позволяет предположить, что его формирование (осадконакопление) происходило в условиях практически плоской равнинной местности и в какой-то начальный период времени угольные пласты имели форму плоскости и близкое к горизонтальному залегание.
Современное положение пластов и слоев в массиве, отражаемое их гипсометрией, является следствием последующих после осадконакопления длительных геологических процессов. Они сопровождались весьма сложными поэтапными изменениями. Во-первых, происходили опускания (поднятия) отдельных участков земной коры с формированием разрывов, локальных зон изгибов и смятий, т. е. зон неоднородных деформаций и повышенных знакопеременных напряжений. Это привело к образованию крупных и мелких геологических нарушений, участков повышенной трещиноватости и т. д. Во-вторых, происходили температурные физико-химические
изменения, которые предопределили газоносность и метаморфизм углей. Все это в конечном итоге и обусловило то современное напряженно-деформированное состояние газонасыщенного углепородного массива, в котором он находится в период отработки. Следовательно, пространственное расположение угольного пласта в массиве как результат тектонического на него воздействия несет в себе дополнительную информацию об исходном напряженном состоянии газонасыщенной толщи, которую можно использовать для прогноза потенциально опасных зон в шахтных полях.
Общеизвестно, что максимальные значения нормальных напряжений 7х и 7у, действующих по двум взаимноперпендикулярным направлениям в плоскости деформируемой однородной изотропной плиты толщиной И при относительно малых ее поперечных прогибах Цх, у) в рамках линейной теории упругости определяются соотношениями:
ЕН
(
7 = ¦
1 — у2
д2w д2^
-- + У--
д х
д у
ЕН
7 =
У
1 — у2
д2 w д2 w ------ + у-------Т-
дх2
л
д у
(1)
где Е и V — соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона.
Строго говоря, в формулах (1) вторые производные от w (X, у) по X и у являются приращениями компонент тензора кривизны пространственно изогнутой поверхности плиты 2 = 2(X, у), причем это
есть малые приращения координаты 2. В такой интерпретации главные напряжения, в силу соотношений (1), могут быть представлены следующим образом:
ЕН / «» ч ЕН
1 — V
),
-(2), (2)
1 — V2
где К1 и К2 — приращения значений кривизны по-
верхности плиты 2 = 2(X, у) в двух взаимно перпендикулярных главных нормальных сечениях.
Так как нами предполагается, что имеющаяся в действительности поверхность 2 = 2(X, у), будучи первоначально практически плоской, сформировалась к настоящему времени в результате медленных, но постоянно действующих сил, то в соотношениях
(2) кривизны К1 и К2 следует считать как их реальные, то есть фактические, величины. В силу этого определяемые по формулам (2) напряжения 712
могут служить оценочными максимальными значениями фактических напряжений, действующих в плоскости пласта. Релаксационные, реологические и метаморфические процессы, естественно, неизбежно приводят к «нивелированию» этого исходного напряженного состояния. Тем не менее, нарушение це-
лостности пласта, образование микротрещин и малоамплитудных геологических нарушений наиболее вероятно именно в тех местах, где изгибные напря-
Рис. 1. Гипсометрия пласта т3 в западном крыле поля шахты им. А. Ф. Засядько: В — зоны внезапных выбросов- С — зоны самовозгорания угля- 1 — положение очистного забоя при взрыве в мае 1999 г.- 2 — положение очистного забоя при взрыве в августе 2001 г. (тонкими линиями показаны малоамплитудные геологические нарушения)
Рис. 2. Карта средней кривизны Н пласта т3 в западном крыле поля шахты им. А. Ф. Засядько: В — зоны внезапных выбросов- С — зоны самовозгорания угля- 1 — положение очистного забоя при взрыве в мае 1999 г.- 2 — положение очистного забоя при взрыве в августе 2001 г. (тонкими линиями показаны малоамплитудные геологические нарушения)
Рис. 3. Карта Гауссовой кривизны К пласта т3 в западном крыле поля шахты им. А. Ф. Засядько: В — зоны внезапных выбросов- С — зоны самовозгорания угля- 1 — положение очистного забоя при взрыве в мае 1999 г.- 2 — положение очистного забоя при взрыве в августе 2001 г. (тонкими линиями показаны малоамплитудные геологические нарушения)
жения 712 принимают максимальные значения, то
есть в местах наибольшей кривизны поверхности.
Таким образом, идея прогнозирования потенциально опасных зон в шахтных полях угольных пластов может быть основана на вычислении пространственной кривизны пласта. Разумеется, точность такого рода прогнозов в значительной степени зависит не только от достоверности геологических данных, но и от способа аналитического представления пространственной конфигурации поверхности пласта, что представляет собой задачу построения интерполяционной функции, наилучшим образом приближающейся к измеренным вертикальным отметкам в заданных контрольных точках шахтного поля [2].
На рис. 1 показаны изолинии глубины (изогипсы) пласта т3 в западном крыле поля шахты им.
А. Ф. Засядько, построенные по данным геологоразведки и отметкам, полученным в подготовительных выработках. Их анализ показывает, что поверхность пласта в рассматриваемой зоне имеет достаточно сложную форму, существенно отличающуюся от плоскости. Так, у границы шахтного поля располагается значительный перегиб пласта, характеризующийся увеличением его угла падения в северозападном направлении. Эта зона отмечена на рис. 1 увеличением плотности изогипс. В центральной части крыла имеется более плавное, седлообразное «вздутие», подобное поверхности боковой грани цилиндра. Восточнее, в районе разгрузочной лавы, четко прослеживается вытянутая по падению пласта впадина. Таким образом, можно прогнозировать на этом участке изменение величины и знака главных кривизн.
Для дальнейшего анализа пространственного положения угольного пласта в массиве была построена карта изолиний средней кривизны Н (рис. 2). Ее анализ показывает, что этот показатель изменяется по площади рассматриваемого участка в пределах от -0,22 до 0,08 км-1. Область отрицательных значений кривизны, соответствующая «выпуклому» залеганию пласта, расположена в северо-западной части шахт-
ного поля. Как видно из рис. 2, эта зона обусловлена наличием флексуры, ограничивающей шахтное поле. Максимальные отрицательные значения кривизны примерно совпадают с положением геологического нарушения у границы шахтного поля. Центральная разгрузочная лава расположена в области с положительными значениями средней кривизны, т. е. в своеобразной геологической впадине. В целом карта средней кривизны хорошо согласуется с картой изогипс.
Особого внимания заслуживает анализ расположения выявленных при отработке пласта опасных зон в поле изменения значений средней кривизны Н. Для этого на карту были нанесены точки внезапных выбросов В, самовозгораний угля С и положение очистных забоев в моменты крупных взрывов метана, произошедшие за последние 10 лет на пласте т3 (рис. 2). Из нее видно, что подавляющая часть аварий происходила либо в зонах изменения знака кривизны (это участки, непосредственно примыкающие к изолинии Н=0 с одной и с другой стороны), либо в зонах максимальных отрицательных ее значений. Здесь же расположены и основные системы геологических нарушений. Одна из них пересекает выемочные поля 12-й, 13-й, 14-й и 15-й западных лав по направлению падения пласта. Вторая расположена у границы шахтного поля. Это позволяет предположить, что критерием положения потенциально опасных зон может являться не только максимальные значения кривизны, но и изменение ее знака, т. е. смена выпуклого участка на вогнутый, или наоборот.
При анализе пространственного положения и формы сложных поверхностей кроме средней часто используют Гауссову кривизну К, которая определяется как произведение главных кривизн К1 и К2. Эта величина в определенных случаях является более информативной: если К& lt-0, то центры окружностей, описывающих поверхность (участок поверхности) лежат от нее по разные стороны (седло) — в случае, если К=0 один из радиусов бесконечно большой (цилиндр) — если К& gt-0, то оба радиуса конечны ^^2*0, К1^К2^Ю (шаровидная выпуклая или вогнутая поверхность). Проанализируем карту Гауссовой кривизны К, построенную путем двойного дифференцирования его поверхности [2].
На рис. 3 приведена карта изменения Гауссовой кривизны К на рассматриваемом участке. Она намного сложнее чем карта средней кривизны Н. Величина К в пределах западного крыла шахтного поля изменяется от -0,14 до 0,28 км-2. Максимальные отрицательные и положительные значения К наблюдаются у границы шахтного поля, что объясняется наличием флексуры. Изолиния 0, отражающая изменение формы залегания пласта, проходит практически параллельно выработанному пространству разгрузочной лавы. Большая часть западного крыла лежит в области отрицательных значений Гауссовой кривизны, что говорит о седлообразном залегании пласта и неблагоприятном распределении напряжений 71 и 72. Подавляющая часть выбросов, эндогенных пожаров и оба взрыва произошли при отработке запасов в области с отрицательными значениями К.
На практике давно установлено, что не все мало-аплитудные нарушения таят в себе опасность газодинамических явлений (ГДЯ) и самовозгораний. Часть из них совершено безопасна в этом плане и легко пересекаются горными работами, другая является источником серьезных осложнений и требуют в процессе выемки выполнения специальных мероприятий. Анализ карты Гауссовй кривизны показал, что все опасные нарушения расположены в зонах с ее отрицательными значениями либо на перегибах.
Наоборот, нарушения, лежащие на вогнутых (К& gt-0) участках не представляют опасности.
Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:
1. Прогнозирование потенциально опасных зон в шахтных полях может осуществляться на основе вычисления пространственной кривизны поверхности залегания угольного пласта в горном массиве.
2. Потенциально опасные зоны в основном приурочены к участкам пластов, которые характеризуются отрицательными значениями средней и Гауссовой кривизн, либо к участкам изменения их знака. Физически это означает, что опасные зоны располагаются на выпуклых или переходных участках.
3. Имеющиеся во впадинах (К& gt-0, Н& gt-0) геологические нарушения представляют значительно меньшую с точки зрения возникновения ГДЯ опасность чем нарушения, лежащие на выгнутых участках (К& lt-0, Н& lt-0).
1. Кабеш Ю. Прогнозирование состояния «сопряженных опасностей» // Уголь Украины, 2002. — № 9. — С. 44−46.
2. Дворников В. И., Пилюгин
В. И, Кочин А. Е. Математическая модель пространственного расположения угольного пласта в
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
горном массиве //Изв. Донецкого Горного института, 2002. — № 2. -
С. 112−116.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Пилюгин В. И, Дворников В. И, Кочин А. Е, Каменец В. И. — ДонНТУ. Ефремов И. А. — АП «ш. им. А.Ф. Засядько».
Файл:
Каталог:
Шаблон:
Ш
Заголовок:
Содержание:
Автор:
Ключевые слова:
Заметки:
Дата создания:
Число сохранений:
Дата сохранения:
Сохранил:
Полное время правки: 32 мин.
Дата печати: 09. 11. 2008 18: 49:00
При последней печати страниц: 3
слов: 1 853 (прибл.)
знаков: 10 565 (прибл.)
ПИЛЮГИН
G: По работе в универе2003гПапки 2003GIAB12~03 C: YUsersТаняAppDataRoammgMicшsoftYШаблоныYNormaLdo УДК 622
Юля
02. 10. 2003 15: 19:00 8
02. 10. 2003 15: 59:00 Гитис Л. Х.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой