Спосіб прогнозування викидонебезпечності вугільних пластів

Спосіб прогнозування викидонебезпечності вугільних пластів, що включає буріння розвідувальних свердловин, побудову гіпсометричних карт за даними розвідувального буріння та подальше ведення гірничих робіт, який відрізняється тим, Корисна модель стосується гірничої справи і може бути використана 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 невишдонебезпечнога 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. 1989 г., 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 що у процесі ведення гірничих робіт здійснюють експлуатаційну дорозвідку вугільного пласта і з використанням отриманих даних обчислюють та будують об'ємну поверхню рельефу залягання вугільного пласта, за знаками головних кривин рельєфу виділяють на ньому опуклі, вгнуті та сідлоподібні ділянки, створюють карту геометричної суми головних кривин рельєфу Ко, як критеріїв його складності у межах шахтного поля, визначають небезпечні значення критерію складності К°о на раніше відроблених ділянках різної форми та виділяють потенційно небезпечні зони, у яких геометрична сума головних кривин рельєфу залягання пласта у розглядуваній точці К о > К°о виробки використовувати спосіб неможливо. Найбільш близьким аналогом корисної моделі, що заявляється, є спосіб прогнозування ділянок пластів, небезпечних за викидами вугілля та газу [а.с. СРСР №1544988, кл. E21F5/00, опубл. 23.02.1990 p.]. 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 розві о> 4 11419 дувальними 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 передвизначае викидонебезпечність 3 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 (Е, \і) \ головних кривин поверхні рельєфу К] та К2 в розглядуваній точці Очевидно, що саме ці параметри необхідно використати при прогнозуванні В основу корисної моделі 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 корисної моделі 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 Ко, як критерію його складності у межах шахтного поля, визначати небезпечні значення критерію складності К°о на раніше відроблених ділянках різноманітних форм та виділяти потенційно небезпечні зони, у яких геометрична сума головних кривин рельєфу залягання пласта у розглядуваній точці К 0 2 К°о Сутність способу прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів пояснюється схемами Фіг 1 та Фіг 2 На Фіг 1 подано карту зміни кривини Ко за площею шахтного поля пласта т 3 шахти їм В М Бажанова з розташуванням ввігнутих зон 1, сідлоподібних зон 2 та опуклих зон 3, ІЗОЛІНІЙ 4 кривин Ко, 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 Шз шахти їм 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 геометризаци 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 т 3 шахти їм 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» 3 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 11419 0 1 2 2 3 z(x, у) = 1,72349 x° у -18,7548 x° у +162,1338 x у +626,1384 x° у 1281,2162 x° 4 5 6 7 8 у -1583,8248 x° у +1239,0057 x° у -544,5495 x° у +84,6097 x° у -15,0247х 1 1 1 2 1 3 1 1 4 і y°-0,8956 x y -398,7724 x y +2168,9832 x y -3966,6828 x y +3380,3291 X 5 1 6 1 7 2 0 2 1 у -1633,3098 x у +528,8070 x у +156,9748 x у +361,4153 x у -1056,1910 2 2 2 3 2 4 2 5 x у -1491,2152 x у + 4427,2826 х у -2412,0196 х у -331,0894 х 3 0 3 1 3 2 3 2 3 6 у 3 905,9009 х у -479,8104 х у +4514,1656 х у -2799,7778 х у -1877,1840 х у 3 5 4 0 4 1 4 2 + 2664,8892 х у +2616,8078 х у -476,3594 х у -4989,1687 х у +4402,1469 х 3 4 4 5 0 5 1 5 у -2783,6558 х у -3933,7184 х у +4084,3229 х у +1679,1834 х у 5 3 6 0 6 1 + 804,7801 х у +6399,6632 х у -15084,4750 х у -11783,6735 х 7 0 7 1 8 3353,9423 х у +8090,7653 х у +116,8949 х у Маючи формулу поверхні рельефу залягання вугільного пласта можна приступити до його побудови та візуалізаціі 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 (Кі0) - 1 та сідлоподібну (Кч>0, К2 о,25км" , KQ > 0,05КМ" 1 . Таким чином, при подальшій відробці пласта гпз до небезпечних за викидами можна з високою достовірністю віднести ділянку 7, де кривина рельєфу залягання перевищує вказані значення. Встановлено також, що співвідношення небезпечних значень кривини для ділянок різноманітної форми добре узгоджується з відомими з механіки деформованих середовищ закономірностями. Значення небезпечної кривини рельєфу залягання К^ и п , Ко в і г н та К§ дозволяють прогнозувати місце розташування особливо викидонебезпечних зон 8 на ділянках шахтного поля 6, запланованих до виймання у майбутньому. Карта розглянутого у прикладі (Фіг.1) шахтопласта з нанесеними небезпечними зонам» 8 представлена на Фіг.2. Запропонований спосіб прогнозу викидонебе 11419 зпечностї вугільних пластів був отриманий не лише протягом періоду геологічної, але й експлуатаційної дорозвщш шляхом визначення критерію оцінки рельєфу залягання пластів Ко, що дозволяє Фіг. 1 8 достовірно визначати розташування аномальних зон підвищених проявів природного (тектонічного) походження, що забезпечує підвищення ефективності та безпеки видобутку вугілля. J 11419 8 10 І Ч Фіг. 2 Комп'ютерна верстка А. Крулевський Підписне Тираж 26 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Укра'їна ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ - 42, 01601