CC BY
32
УДК 622.411.332
А.Д.РУБАН. д-р техн. наук, Ruban_ad(Ôù,mail.ru УРАН ИПКОН РАН, Москва
A.D.RUBAN. Dr. in eng. sc., Ruban_ad%mail.ru URAN IP KON RAS, Moscow
ИЗУЧЕНИЕ ГАЗО- И ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОГЕННО ИЗМЕНЯЕМОГО УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА
Интенсификация и концентрация горных работ значительно повышают риск геодинамических и газодинамических явлений в угольных шахтах. Представлены результаты аналитических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния массива горных пород при техногенном воздействии. Установлены критериальные условия возможности возникновения лавинного разрушения углепородного массива при указанных явлениях. Приведены критерии оценки опасности углепородного массива и забоев очистных и подготовительных выработок по газодинамическим явлениям. Сформирована структура автоматизированной системы мониторинга опасности газо- и геодинамических явлений в шахтах.
Ключевые словах газо- и геодинамические явления, автоматизированная система мониторинга, опасное состояние массива.
STUDY OF GAS-AND GEODYNAMIC STATE OF TECHNOGENICALLY CHANGEABLE COAL ROCK MASS
Intensification and concentration of the mining works increases substantially the risk of geo-and gasdynamic effects arising within the coal mines. Herewith are presented the results of the analytic and experimental studies on stress-strain state of rock mass due to technogenic impact. Under such conditions a potential avalanche destruction of coal rock mass may occur. Some criteria for evaluation of gas-dynamic danger for rock mass, for active stopes and development faces are given. The computer-aided system for monitoring of hazard of gas- and geodynainic phenomena in mines is suggested.
Key words: gas- and geodynamic phenomena, automated monitoring system, hazardous state of rock mass.
Установлено, что основное условие формирования в массиве горных пород очагов, потенциально опасных по газо- и геодинамическим явлениям (ГЯ и ГДЯ), заключается в создании природно-техногенных условий для проявления в призабойной зоне массива эффекта накопления и быстрого сброса (высвобождения) критических значений геоэнергии. Реализация такого эффекта определяется возможностью развития ряда последовательных и взаимосвязанных механизмов изменения напряженно-деформированного состояния, физико-химических изменений и процессов разрушения горных пород.
Напряженно-деформированное и газодинамическое состояние приконтурной части угольного пласта. Характерной особенностью выбросоопасных и удароопасных участков угольных пластов является высокая изменчивость коэффициента концентрации напряжений и размеров области предельно-напряженного состояния в призабойной зоне массива по мере подвигания забоя горной выработки. Диапазоны изменения параметров напряженного состояния призабойной зоны угольных пластов в опасных (числитель) и неопасных (знаменатель) зонах по экспериментальным данным показаны ниже:
К = стп|;:|х/(70 Цт = 1-2 mi grada
1,8-4.7 hl 1,2-2,5
1,2-1,5 4-9 0,3-0,8
Здесь /к, К = ama:</a0, grada = amax/a0/K -длина области спада напряжений, коэффициент напряжений и градиент концентрации напряжений в краевой части пластов, соответственно. Оценочные расчеты по формуле
W = а^р/2£, где а^ - средние напряжения
в пласте, Е - модуль упругости угля, показывают, что упругая энергия в опасных зонах соответственно возрастает в 3-10 раз. Это обстоятельство существенным образом влияет на возможность возникновения процесса лавинного самоподдерживающегося разрушения высвобождающейся геоэнергией.
Эффект задержки деформаций и возрастания концентрации напряжений в при-забойной части массива чаще всего наблюдается при ведении горных работ в зоне мелкоамплитудных нарушений, поскольку впереди забоя образуется зона повышенных напряжений из-за изменения вида напряженного состояния, характеризуемого соотношением главных (сжимающего давления толщей налегающих пород) напряжений -максимального Qj и минимального с3 (боко-
Рис.1. Полные диаграммы напряжения (осевая нагрузка)-деформация а^Л' ) - е при раэдичном боковом сжатии (а3 - 0-15,0 МПа) и насыщении метаном при давлении Р ~ 0-3 МПа для угля П-Ш степени тектонической нарушенное™
1 - = 0: Р = 0:2 - а3 = 5,0: Р = 3,0; 3 - о, = 4,0; Р = 2.0; 4 - <т3 = 4.0; Р = 2,0; 5 - = 9,0; Р = 2,0; 6 - <т, = 7,0; Р = 0; 7 - а, = 13,0; Р = 0; 8 - а, = 15,0; Р = 2
20 -
вого давления со стороны забоя) С = с^/аь Увеличение аз вследствие затрудненного деформирования пласта в сторону забоя резко увеличивает прочность угля и формирует зоны повышенного горного давления (ПГД)
Исследование критериев прочности и процессов разрушения углей при формировании выбросоопасной и удароопасной ситуации выполнено в условиях объемного неравнокомпонентного напряженного состояния (а! > а2 = о3), моделирующих призабой-ную зону массива. При высоких значениях бокового сжатия с3 > 13-18 МПа (кривые 7-8 на рис.1) запредельные кривые деформирования становятся горизонтальными (модуль спада ц» 0), а предел прочности а1тах и остаточная прочность а, совпадают. В этом случае разрушение происходит практически только путем сдвига - а» = т^ = (а1 - а3)/2. При относительно невысоком уровне бокового сжатия с3 < 5-7 МПа (кривые 2-6, рис.1) запредельные кривые имеют хорошо выраженную ветвь спада напряжений аь предел прочности существенно превышает остаточную прочность, а разрушение носит хрупко-пластичный характер, преимущественно путем отрыва.
Таким образом, определено условие разрушения углей в объемном напряженном состоянии - а3/а1 = С< 0,35. При С>0,35 разрушение не происходит и возможен процесс роста концентрации напряжений. При насыщении угля метаном под давлением Р= 1-3 МПа (кривые 2-5, 8 на рис.1) и сохранении давления газа в процессе эксперимента характер разрушения несколько изменяется, величина критерия снижается до а3 -С' < 0,30, где а3 и а! - так называемые «эффективные» напряжения, учитывающие трещинно-поровое давление газа.
Процесс снятия бокового сжатия массива а3 по оси, ориентированной в сторону забоя, должен сопровождаться перескоком с более высокого уровня прочности угля на более низкий в зависимости от величины снимаемого бокового напряжения. Этот момент является характерной точкой би-
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.185
фуркации, определяющей, по какому сценарию пойдет дальше развитие процесса разрушения - обычного трещинообразования и отжима или лавинного самоподдерживающегося разрушения, характерного для газо-и геодинамических явлений. Экспериментально установлено, что критериальными условиями, определяющими возможность возникновения лавинного разрушения являются следующие;
- запас реализуемой удельной потенциальной геоэнергии (упругой энергии сжатия угля при горных ударах и суммы упругой энергии сжатия и энергии выделяющегося газа при внезапных выбросах угля и газа) должен быть выше 2-3 МДж/м\
- характерная скорость сброса бокового напряжения не должна быть ниже 1-3 МПа/с.
При исследовании термодинамических условий разрушения газонасыщенного угля в призабойной зоне угольного пласта осевая нагрузка на образец а! создавалась независимо от боковой нагрузки си. Регистрировалась диаграмма осевая нагрузка - осевая деформация, а также боковое напряжение С2 = аз, давление газа Р и изменение температуры образца (рис.2).
Разрушение образца проводилось при боковой нагрузке аг = а? = 10 МПа и давлении газа 3,2 МПа.
Температура угольного образца начинает заметно повышаться при достижении С] = 0,7-0,8, предела прочности угля СТ1П1Л>: в условиях объемного сжатия, что соответствует переходу от упругого деформирования к упругопластическому и началу частичного трещинообразования (дилатансии).
По диаграмме напряжение - деформация определялась энергия на стадиях упругого и упруго-пластического деформирования
£2
IV = ¡о^г. (1)
Расчеты показывают, что при высоких уровнях напряжений сжатия вся энергия, полученная образцом от пресса, меньше энергии, затраченной на нагревание образ-
□ 10 20 30 40 50 60 г^с
Рис.2. Диаграмма зависимости напряжение - деформация - температура в условиях объемного сжатия
ца Объяснить аномальное нагревание угольного образца можно предположением, что в разрушающемся образце происходит «дополнительная» сорбция метана углем в результате механохимических процессов, сопровождающих разрушение угля Процесс образования «дополнительного» метана начинается при переходе деформирования от упругого к упругопластическому, т е. началу трещинообразования и усиливается в запредельной области деформирования.
Анализ зависимостей изменения температуры угля от величины напряжений сжатия показал, что при условно низких уровнях напряженности, когда максимальное сжатие меньше 30 МПа, возрастание температуры невелико - не превышает 1-2 °С, следовательно и метанообразование практически не происходит. Когда максимальное напряжение сжатия изменялось в диапазоне от 30 до 60 МПа, температура угля возрастает на 2-5 °С, что свидетельствует о протекании механохимических процессов в угле и образовании «дополнительного» метана, расчетное количество которого составляло в условиях лабораторного эксперимента до 2,5 см3/г.
Акустика призабойной части массива горных пород. Влияние зоны ПГД на ампли-тудно-частотную характеристику (АЧХ) виброакустических колебаний при техногенном воздействии на массив выражается в виде
200 400 600 800 Частота, Гц
1000 1200
Рис.3. АЧХ колебательного процесса при различном расположении зоны ПГД 1 - 5 м до нарушения; 2 - 0 м до нарушения; 3 - 5 м в нарушении
0,2 0,4 0,6 0,8 Выбросоопасностъ забоя
Рис.4. Графш определения безопасной сменной скорости подвигания забоя (глубины выемки) в зависимости от степени потенциальной выбросоопасности пласта
1 - /к = 1 м: 2 - 3 м: 3 - 5 м; 4 - 7 м
перераспределения колебательной энергии между отдельными составляющими спектра (рис 3) АЧХ регистрируемых колебаний формируется исходным горно-геологическим строением углепородного массива и местоположением по отношению к горным работам зоны ПГД
Энергия колебательного процесса перераспределяется между отдельными областями спектра с определенной закономерностью при различном положении зоны ПГД. По мере углубления горных работ в зону ПГД высокочастотная составляющая АЧХ закономерно растет значительно быстрее низкочастотной, в некоторый момент опе-
режает ее и разделяется на две группы колебаний в диапазонах 550-850 и 850-1100 Гц.
Аналогичные данные получены экспериментально на ряде шахт - им Скочин-ского, Первомайская и др. Установлены закономерности изменения спектральных и амплитудных характеристик акустических колебаний углепородного массива в зоне влияния комбинированной аномалии (зона ПГД и зона трещиноватости) и зоне ПГД Данные закономерности предоставляют методическую возможность формирования аппарата информативных параметров и критериев прогнозирования выбросоопасности массива в режиме реального времени.
Оценка выбросоопасности массива. Соотношение между глубиной заходки при выемке и длиной зоны разгрузки впереди забоя, определяемое параметром /о//к, существенно влияет на устойчивость призабойной зоны пласта и играет решающую роль в формировании выбросоопасной ситуации. Критерий оценки выбросоопасности В используется для определения неопасных в данных горно-геологических условиях скоростей подвигания подготовительных забоев, параметров технологии выемки угольных пластов и параметров управления состоянием массива для предотвращения ГДЯ. Размеры зоны разгрузки краевой части пласта впереди движущегося забоя, необходимой для предотвращения ГДЯ, определяются по формуле
l _(IVX + 0,3WJ/0 0.18
(2)
Безопасная сменная скорость забоя (глубина выемки) в зависимости от степени потенциальной выбросоопасности пласта определяется по графику на рис.4.
Оценка потенциальной опасности по ГДЯ участков угольных пластов. Потенциальная (природная) опасность пласта по ГДЯ оценивается суммой энергии горного давления и эффективной энергии газа, содержащихся в угольном пласте, и определяется критерием
Я„ = (^ + 0,33^.)-0,18, (3)
где 1¥т - эффективная энергия газа, заключенная в угольном пласте, МДж/м5.
При Вп<0 угольный пласт является неопасным по ГДЯ, при В„> 0 - опасным.
Для определения геомеханической энергии (Жг, ¡¥у) и природной опасности угольных пластов по ГДЯ в качестве исходных используются стандартные геолого-разве-дочные данные: X - газоносность угольного пласта, м5/т; глубина пластопересечения Н, м; данные кавернометрии в месте пересечения пласта скважиной с/тлх, с1тш, с/скв, мм, температура пласта К °С; данные технического анализа угля: выход летучих зольность угля А и влажность м>, %.
Для Кузбасса получена эмпирическая зависимость, которая позволяет производить расчет энергии газа экспресс-методом по формуле
^Г = (9,ЗХ-0,01)^5(Д (4)
Оценка изменения энергии угольных пластов с ростом глубины залегания в условиях Кузнецкого бассейна показывает, что в зонах ПГД упругая энергия угля превосходит эффективную энергию газа в несколько раз. ГДЯ на шахтах возникают с глубины разработки, где суммарная геоэнергия пласта (!Гг + }¥у) достигает уровня, превосходящего 0,4 МДж/м5 и обеспечивающего лавинное самоподдерживающееся разрушение
Оценка выбросоопасности забоев очистных и подготовительных выработок с учетом скорости их подвигания. Выбросо-опасность очистных и подготовительных забоев горных выработок определяется потенциальной (природной) выбросоопасно-стью разрабатываемого пласта.
ВП =/( Жг, №у) и такими технологическими показателями, как глубина выемки или сменное подвигание забоя /о и величина зоны разгрузки и дегазации в призабой-ной части пласта /к. Для оценки влияния технологии на опасность возникновения газодинамических явлений в формулу Вп = (Ж, + 0,33 И-'у) - 0,18 вводится безразмерный технологический параметр /0//к, который характеризует устойчивость краевой
части пласта в самый выбросоопасный момент - момент подвигания забоя.
Оценка фактической опасности по ГДЯ забоев горных выработок с учетом параметров технологии выемки угольного пласта производится по критерию
В = (ЖГ + 0,33^)/0/7к - 0,18. (5)
При В < 0 забой горной выработки не опасен, при В > 0 забой выбросоопасен. Оценки опасности по ГДЯ забоев горных выработок по критерию В уточняются в процессе ведения горных работ по данным текущего контроля выбросоопасности.
В соответствии с вышеизложенным, стратегия управления состоянием массива горных пород для предотвращения ГДЯ должна основываться на том, что их первопричина - геомеханические процессы, происходящие на макро- и мезоуровнях. Физико-химические процессы на микроуровне являются следствием развития геомеханических процессов. Поэтому для предотвращения ГДЯ и интенсификации газоотдачи угольных пластов с целью повышения эффективности дегазации необходимы соответствующие технологии контроля и управления геомеханическими процессами.
Автоматизированная система комплексного геофизического и геомеханического мониторинга опасности газодинамических явлений в шахтах Проблема прогноза и контроля ГДЯ в высокопроизводительных шахтах рассматривается как задача прогноза устойчивости природно-технической системы «массив горных пород - техногенное воздействие» и решается на основе комплексного подхода, объединяющего методы контроля и прогноза опасности динамических явлений с ГИС Этот подход реализован в разработанной ИПКОН РАН автоматизированной системе прогнозирования опасности ведения горных работ по фактору риска ГДЯ и ГЯ Автоматизированная система осуществляет мониторинг опасности динамических явлений в подготовительных и очистных забоях горных выработок (те-
кущий и локальный прогноз) и контролирует изменение НДС и ГДС углеродного массива во времени и пространстве в пределах шахтного поля (региональный и территориальный прогноз).
Автоматизированная система реализует методику комплексного контроля и прогноза в соответствии с вышеизложенным, имеет блоч-но-модульный принцип построения и формируется из четырех основных подсистем (блоков):
- сейсмоакустический контроль напря-женно-деформированного состояния и разрушения приконтурной части массива;
- сейсмический контроль напряженно-деформированного состояния выемочного участка и шахтного поля;
- контроль газодинамической активности приконтурной части массива;
- геомеханический прогноз, диагностика и оценка опасности ГДЯ
