Спосіб прогнозування зон нестійкого стану вмісних порід безпосередньої покрівлі вугільного пласта

Спосіб прогнозування зон нестійкого стану вмісних порід безпосередньої покрівлі вугільного пласта, що включає геологорозвідку, визначення на основі даних геологорозвідки властивостей вмісних порід безпосередньої покрівлі, експлуатаційну геометризацію залягання вугільного пласта й вмісних порід безпосередньої покрівлі в процесі ведення гірничих робіт, побудову карти градієнта головних кривизн K0 поверхні залягання вугільного пласта у межах шахтного поля або його части 3 83986 прямках відповідних головних кривизн і визначення їхньої величини по наступних залежностях: m Eh s 1г = gH + (K 1 + mK 2 ) 1- m æ1 - m 2 ö 2ç ÷ è ø Eh г = m gH + s2 (K 2 + mK 1) 1- m 2æ1 - m 2 ö ç ÷ è ø де E и m - пружні постійні шару вмісних порід, H - глибина розташування шару вмісних порід в розілянутій точці; g - середня об'ємна вага вмісних порід; h - товщина шару вмісних порід; K1 і K2 величини головних кривин поверхні в розглянутій точці [UA, №80083 А. кл. E21F5/00, опубл. 10.08.2007p.]. Відомий спосіб не забезпечує можливості прогнозування місцезнаходження зон нестійкого стану вмісних порід безпосередньої покрівлі вугільного пласта, оскільки його реалізація спрямована виключно на визначення напружень, діючих в масиві гірничих порід. Оскільки в способі не передбачено порівняння визначених напружень з міцнісними властивостями порід, він не дозволяє оцінювати можливість руйнування гірничого масиву під впливом цих напружень. Найбільш близьким аналогом пропонованого винаходу є спосіб прогнозування викидонебезпечності вугільних пластів, що включає геологорозвідку, яка полягає в бурінні розвідувальних свердловин, визначенні запасів і якості корисної копалини, визначення на основі даних геологорозвідки властивостей пласта вмісних порід безпосередньої покрівлі, яка полягає в геометризації залягання шару вмісних порід безпосередньої покрівлі, ведення гірничих робіт, експлуатаційну геометризацію залягання вугільного пласта й вмісних порід безпосередньої покрівлі на основі даних, отриманих у процесі ведення гірничих робіт, визначення величин головних кривизн поверхні залягання пласта K1 і K2 в розглянутій точці невідпрацьованої ділянки пласта, суміжної з відпрацьованою, виділення опуклих, вві гнутих і сідлоподібних зон, побудову карти градієнта головних кривизн K0 поверхні залягання вугільного пласта у границях шахтного поля або його частини, визначення небезпечних значень критерію складності K00 на раніше відпрацьованих ділянках різної форми залягання й виділення особливо викидонебезбечних зон, у яких геометрична сума головних кривизн K0 у розглянутій точці перевищує небезпечні значення критерію складності K00 [U A, №11419 U, кл. E21F5/00, опубл. 15.12 2005p.]. Загальними суттєвими ознаками найближчого аналогу і пропонованого винаходу є: геологорозвідка; визначення на основі даних геологорозвідки властивостей вмісних порід безпосередньої покрівлі; експлуатаційна геометризація залягання вугільного пласта й вмісних порід безпосередньої покрівлі в процесі ведення гірничих робіт; побудова карти градієнта головних кривизн K0 поверхні залягання вугільного пласта у межах шахтного поля або його частини. 4 Відомий спосіб характеризується низькими точністю і достовірністю прогнозування нестійкого стану вмісних порід безпосередньої покрівлі вугільного пласта. Це обумовлене тим, що він не враховує їх міцністних параметрів, таких як межа міцності на тиск, межа тривалої міцності на тиск та інші. Прогнозування місця розташування зон нестійкого стану вмісних порід безпосередньої покрівлі вугільного пласта у відомому способі здійснюється по величині непрямого показника K0, чисельно рівного градієнту (геометричній сумі) головних кривизн. Він відображує сумарну деформацію вигину пласта або шару вмісних порід в розглянутій точці і ніяк не пов'язаний із його міцністю, оскільки не враховує літологічний склад та міцністні параметри порід покрівлі, які можуть суттєво змінюватися. Це можливо тільки у разі, коли розглядається виключно вугільний пласт, параметри міцнісних властивостей якого залишаються практично постійними у межах шахтного поля або його частини. Таким чином відомий спосіб не забезпечує високу точність прогнозування зон нестійкого стану вмісних порід безпосередньої покрівлі вугільного пласта і не дозволяє здійснювати прогнозування інших, не менш важливих видів шкідливих геомеханічних проявів гірського тиску, а саме зон незадовільної стійкості підготовчих виробок, обвалень порід покрівлі в очисних вибоях. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу прогнозування зон нестійкого стану вмісних порід безпосередньої покрівлі вугільного пласта, в якому за рахунок нових технологічних операцій і параметрів забезпечується можливість врахування властивостей тектонічного стану вмісних порід безпосередньої покрівлі, що дозволяє підвищити точність та достовірність прогнозування, забезпечуючи ефективність та безпеку ведення гірничих робіт. Поставлена задача вирішується тим, що в способі прогнозування зон нестійкого стану вмісних порід безпосередньої покрівлі вугільного пласта, що включає геологорозвідку, визначення на основі даних геологорозвідки властивостей вмісних порід безпосередньої покрівлі, експлуатаційну геометризацію залягання вугільного пласта й вмісних порід безпосередньої покрівлі в процесі ведення гірничих робіт, побудову карти градієнта головних кривизн K0 поверхні залягання вугільною пласта у межах ша хтного поля або його частини, згідно винаходу додатково визначають градієнт руйнівної кривизни K0р вмісних порід безпосередньої покрівлі вугільного пласта в тих же межах шахтного поля або його частини за залежністю: K 0p = 2 æ ¥ n ö gH ÷æ 1 - n 2 ö çs ç ÷ ø Eh è 1 - n øè де K0р - градіент руйнівної кривизни вмісних порід безпосередньої покрівлі вугільного пласта, км-1; E - модуль пружності вмісних порід безпосередньої покрівлі, МПа; h - потужність шару вмісних порід безпосередньої покрівлі, м; 5 83986 s¥ - межа тривалої міцності вмісних порід безпосередньої покрівлі, МПа; n - коефіцієнт Пуассона вмісних порід безпосередньої покрівлі; g - середня об'ємна вага вмісних порід безпосередньої покрівлі, Мн/м 3; H- глибина залягання вугільного пласта в розглянутій точці, м, порівнюють значення градієнта руйнівної кривизни K0р з максимальними значеннями градієнта головних кривизн K0 і у випадку, коли K0³K0р, то судять о наявності зон нестійкого стану вмісних порід безпосередньої покрівлі вугільного пласта. Фізична суть величини градієнта руйнівної кривизни вмісних порід безпосередньої покрівлі вугільного пласта K0р полягає в тому, що це така кривизна або ступінь вигину шару вмісних порід безпосередньої покрівлі, при якому значення тектонічних напружень досягає межи тривалої міцності вмісних порід безпосередньої покрівлі. Таким чином, якщо K0³K0р, то вміщуючи породи безпосередньої покрівлі будуть зруйновані до початку ведення очисних робіт і в даній зоні в результаті тектонічних процесів буде сформована зона нестійкого стану вміщуючих порід безпосередньої покрівлі. Таким чином пропонований спосіб дозволяє підвищити точність та достовірність прогнозування. Суть способу пояснюється малюнком, на якому показана схема виїмкової ділянки, суміщена з картою градієнта головних кривизн K0 поверхні залягання вугільного пласта, де: 1 - конвеєрний штрек; 2 - вентиляційний штрек; 3 - лінія зупинки очисного вибою; 4 - зони нестійкого стану вмісних порід безпосередньої покрівлі вугільного пласта. Приклад. Спосіб прогнозування зон нестійкого стану вміщуючи х порід безпосередньої покрівлі вугільного пласта реалізується наступним чином. На початку вибирається виїмкова ділянка, що планована до виїмки вугільного пласта. На основі даних геологорозвідки визначали міцністні властивості та пружні параметри вмісних порід безпосередньої покрівлі, що представлена пісчаником. Також будували гіпсометричний план за відомою методикою [Букринский В.Л. Геометрия недр. - M.: Недра, 1985. - 526с.]. У процесі розробки вугільного пласта здійснювали проходку пластових підготовчих виробок, в яких виконували маркшейдерські виміри. Маркшейдерські виміри використовували в якості вихідних даних для експлуатаційної геометризації залягання вугільного пласта і вміщуючи х порід безпосередньої покрівлі. Геометризація складається в побудові тривимірної поверхні залягання вугільного пласта й вмісних порід безпосередньої 6 покрівлі, яку здійснювали з використанням відомого пакета прикладних програм SURFER або по відомих методиках [Зборщик М.П, Син А.Ф., Пилюгин В.И. Геомеханические основы ведения горных работ в условиях пликативно нарушенных пологих угольных пластов. - Донецк: ДонНТУ, 2005. 282с.]. На основі перерахування тривимірної поверхні здійснювали побудову карти градієнта головних кривизн K0 поверхні залягання вугільного пласта у межах означеної частини шахтного поля. Після цього визначали градієнт руйнівної кривизни K0р вмісних порід безпосередньої покрівлі вугільного пласта в тих же межах означеної частини шахтного поля за залежністю: 2 æ ¥ n öæ -1 K 0p = gH ÷ç 1 - n 2 ö , км , де E - моçs ÷ ø Eh è 1 - n øè дуль пружності вмісних порід безпосередньої покрівлі, MПa; h - потужність шару вмісних порід безпосередньої покрівлі, м; s¥ - межа тривалої міцності вмісних порід безпосередньої покрівлі, МПа; n - коефіцієнт Пуассона вмісних порід безпосередньої покрівлі; g - середня об'ємна вага вмісних порід безпосередньої покрівлі, н/м 3; H - глибина влягання вугільного пласта в розглянутій точці, м. Для умов прикладу вхідні величини складають: E=2,5·104МПа; h=14м; s¥=0,7sст=52,5МПа (sст=75МПа); n=0,3; g=0,25Мн/м 3; Н=1200м. Таким чином K0р=0,22км -1, з урахуванням погрішності побудов і невеликої частини шахтного поля приймали K0р=0,2км-1. Далі здійснювали порівняння значень градієнта руйнівної кривизни K0р і максимальними значеннями градієнта головних кривизн K0. Стосовно карти градієнта головних кривизн K0 поверхні залягання вугільного пласта його максимальне значення складає K0=0,3км -1. Це позначає, що на ділянках, де K0³0,2км-1 буде спостерігатися перевага величин тектонічних напружень над межой тривалої міцності вмісних порід безпосередньої покрівці, та відбудеться їх руйнування до ведення виїмки вугільного пласта. Натурні спостереження за стійкістю вмісних порід безпосередньої покрівлі в очисних вибоях показали що в зонах, де K0³K0р загальна площа обвалень збільшується не менш чим на 30%. Таким чином, використання пропонованого способу забезпечує високу точність та достовірність прогнозування за можливість врахування міцністних порід та їх тектонічного стану, що дозволяє здійснювати ефективне та безпечне ведення гірничих робіт. 7 Комп’ютерна в ерстка О.Гапоненко 83986 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601