Спосіб прогнозування викидонебезпечності вугільних пластів

Винахід стосується гірничої справи і може бути використаний при прогнозуванні викидонебезпечних зон вугільних пластів при веденні гірничих робіт. Відомим є спосіб прогнозу викидонебезпечності порід Донбасу, відповідно до якого бурять розвідкові свердловини, виконують візуальний огляд кернового матеріалу, відбирають проби пісковика та за наявності у керні пісковиків дисків, за пробами, визначають: часовий опір розтягу, пористість та інші показники за стандартним методиками, зіставляють величини показників, що характеризують властивості пісковиків викидонебезпечного та невикидонебезпечного пластів за критерієм викидонебезпечності, який дорівнює як середньому арифметичному критеріїв викидонебезпечності для двох груп показників [Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы, газа, М. 1989г. с.117-121]. Описаний спосіб можна використовувати тільки за локального прогнозування викидонебезпечності, тобто при проведенні підготовчої виробки за викидонебезпечним пісковиком. Зона дії такого прогнозу визначається довжиною пробурених з підготовчого вибою свердловин. На стадії проектування та зіставлення паспорту проведення цієї виробки використовувати спосіб неможливо. Найбільш близьким аналогом винаходу, що заявляється, є спосіб прогнозування ділянок пластів, небезпечних за викидами вугілля та газу [а.с. СРСР №544988, кл. E21F5/00, опубл. 23.02.1990p.]. Цей спосіб включає у себе буріння розвідувальних свердловин, побудову структурних карт за даними розвідувального буріння та вимірювання на виділених ділянках структурних карт ділянок довжин ізогіпс та найкоротших відстаней між кінцями кожної ізогіпси у межах ділянки, знаходження коефіцієнту плікативної складності ділянки за математичною формулою, а також визначення комплексного коефіцієнту тектонічної складності ділянки залежно від коефіцієнту диз'юнктивної складності, коефіцієнту плікативної складності та кутового коефіцієнту складності ділянки. Загальними суттєвими ознаками відомого способу і технічного розв'язання, яке заявляється, є: буріння розвідувальних свердловин; побудова гіпсометричних карт за даними розвідувального буріння; подальше проведення гірничих робіт. Недоліком прототипу, що знижує його надійність та достовірність, є використання структурних карт, побудованих за даними лише розвідувального буріння. На практиці встановлено, що точність визначення координат точок підсічки пласта розвідувальними свердловинами є дуже низькою (похибка ±30м). Точність експлуатаційної дорозвідки є значно вищою (похибка маркшейдерських замірів ±1м). У зв'язку з цим для шахт, що вже ведуть гірничі роботи, є реальна можливість побудови більш точних карт геометричних параметрів залягання розроблюваних вугільних пластів. Це дозволить суттєво підвищити достовірність прогнозування. Окрім того, недолік прототипу полягає і в неправильно обраних критеріях прогнозування. Зокрема, коефіцієнт плікативної складності Кпл не має чіткого фізичного сенсу, а головне, він не пов'язаний з напружено-деформованим станом гірничого масиву, рівень якого передвизначає викидонебезпечність. З іншого боку, з фундаментальних положень теорії пружності відомо, що при згині товстих плит, тобто породних шарів, що складають масив, додаткових горизонтальних напружень залежать від параметрів їх пружних властивостей (Ε, m) і головних кривин поверхні рельєфу К1 та К2 в розглядуваній точці. Очевидно, що саме ці параметри необхідно використати при прогнозуванні. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення способу прогнозування викидонебезпечності вугільних пластів, у яких за рахунок нових технологічних операцій та параметрів забезпечується достовірне визначення розташування аномальних зон підвищених проявів природного (тектонічного), походження, що дозволяє збільшити ефективність та безпеку видобутку вугілля. Поставлена задача розв'язується за рахунок того, що спосіб прогнозування викидонебезпечних вугільних пластів, який включає буріння розвідкових свердловин, побудову гіпсометричних карт за даними розвідувального буріння з подальшим проведенням гірничих робіт, згідно з винаходом у процесі ведення гірничих робіт спонукає проводити експлуатаційну дорозвідку вугільного пласта з використанням отриманих даних обчислювати та будувати об'ємну поверхню рельєфу залягання вугільного пласта, за знаками головних кривин рельєфу виділяти на ньому опуклі, ввігнуті та сідлоподібні ділянки, створювати карту геометричної суми головних кривин рельєфу як критерію його складності у межах шахтного поля, визначати небезпечні значення критерію складності К0 на раніше відроблених ділянках різноманітних форм та виділяти потенційно небезпечні зони, у яких геометрична сума головних кривин рельєфу залягання пласта у розглядуваній точці К³К0. Сутність способу прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів пояснюється схемами Фіг.1 та на Фіг.1 подано карту зміни кривини К0 за площею шахтного поля пласта m3 шахти ім. В.М. Бажанова з розташуванням ввігнутих зон 1; сідлоподібних зон 2 та опуклих зон 3; ізоліній 4 кривин К0; меж виробленого простору 5; меж шахтного поля 6; зон викидів 7. На Фіг.2 - шахтопласт, представлений на Фіг.1 з нанесеними небезпечними зонами 8. Спосіб здійснюється таким чином; приклад. Реалізацію запропонованого способу виконували стосовно до умов пласта m3 шахти ім. В.М.Бажанова. Як відомо, до будівництва шахти виконуються геологорозвідувальні роботи, що полягають у бурінні свердловин у гірничому масиві з земної поверхні за певною сіткою, і визначаються геометричні параметри залягання пласта, його потужність у точках підсічки, якісний склад вугілля. Після цього вибудовується гіпсометричний план вугільного пласта, виконується обчислення запасів і за відомими рекомендаціями визначається проектна потужність майбутньої шахти. Недоліком цього етапу (циклу) робіт є низька точність геометризації пласта, обумовлена великими погрішностями у визначенні координат точок підсічки пласта свердловинами (х, у, z). У результаті цього гіпсометричний план недостатньо точно відбиває реальний рельєф залягання. Це веде до більших помилок і у визначенні запасів, і у визначенні місцерозташування ізогіпс. Після будівництва шахти розпочинається етап ведення гірничих робіт за пластом. При цьому у підготовчих виробках виконуються заміри координат опорних точок маркшейдерської сітки. Ці заміри мають значно меншу погрішність (приблизно у 10 разів), аніж дані геологорозвідки. У зв'язку з цим на їх основі можна суттєво здеталізувати рельєф залягання розроблюваного вугільного пласта. При цьому, чим більшими є запаси, які відробила шахта за даним шахтопластом, тим більшою є відповідно кількість точних замірів, що накопичуються маркшейдерською службою. Так, для пласта пі3 шахти ім. В.М.Бажанова загальне число опорних точок маркшейдерської сітки становить 195, а число перерізів пласта свердловинами - всього 38. Зазначені 233 точки використовували для побудови об'ємної поверхні рельєфу залягання розроблюваного шахтопласта. Для цього застосовувався відомий метод апроксимації шуканої поверхні ступеневими поліномами Чебишева. Визначення коефіцієнтів поліномів, що описують рельєф конкретних шахтопластів, виконували методом найменших квадратів. Визначення оптимального ступеню поліномів виконувалося методом підбору з останньою мінімізацією середньої наведеної помилки координати z моделювання рельєфу в опорних точках. Для виконання цієї процедури розроблена спеціалізована програма «Ступінь». З її використанням було встановлено, що у загальному випадку оптимальний ступінь апроксимуючих поліномів залежить від складності рельєфу залягання, тобто від плікативної і диз'юнктивної порушеності вугільного пласта у межах площі шахтного поля. Для умов нашого прикладу оптимальний ступінь поліному становив 7. Загальний вигляд поліному такий: z(x,y)=1,72349 х0 у0-18,7548 х0 у1+162,1338 х2 у2+626,1384 х0 у3 1281,2162 х0 у4-1583,8248 х0 5 у +1239,0057 х0 у6-544,5495 х0 у7+84,6097 х0 у8-15,0247 х1 у0-0,8956 х1 у1-398,7724 х1 у2+2168,9832 х1 у33966,6828 х1 у4+3380,3291 х1 у5-1633,3098 х1 у6+528,8070 х1 у7+156,9748 х2 у0+361,4153 х2 у1-1056,1910 х2 у2-1491,2152 х2 у3+4427,2826 х2 у4-2412,0196 х2 у5-331,0894 х2 у6-905,9009 х3 у0-479,8104 х3 у1 +4514,1656 х3 у2-2799,7778 х3 у3-1877,1840 х3 у4+2664,8892 х3 у5+2616,8078 х4 у0-476,3594 х4 у1-4989,1687 x4 у2+4402,1469 x4 у3-2783,6558 x4 у4-3933,7184 x5 у0+4084,3229 x5 у1+1679,1834 x5 у2+804,7801 x5 у3+6399,6632 х6 у015084,4750 х6 у1-11783,6735 х6 у2-3353,9423 х7 у0+8090,7653 х7 у1+116,8949 х8 у0 Маючи формулу поверхні рельєфу залягання вугільного пласта можна приступити до його побудови та візуалізації на комп'ютері. Для цього використали відомий метод сіток та стандартне програмне забезпечення наприклад, система AutoCAD. З метою автоматизації та пришвидшення процесу нами була розроблена спеціалізована програма «Рельєф». Рівняння функції рельєфу залягання z=f(x,y) дозволяє з використанням відомих підходів та методик обчислювати значення та визначати знаки головних кривин поверхні пласта у будь-якій точці шахтного поля. їх величини передвизначають рівень діючих у масиві напружень, а знаки - форму рельєфу залягання пласта на конкретних ділянках. Дослідження та експерименти показали, що саме ці два фактори є найбільш важливими при прогнозуванні викидонебезпечності. На основі аналізу знаків головних кривин за відомими рекомендаціями можна виділяти три різновиди форм рельєфу залягання: опуклу (К10) - 1 та сідлоподібну (К1>0, К2