CC BY
27
© Т.И. Лазаревич, А.Н. Поляков,
В.П. Скитович, А.С. Харкевич, 2002
УЛК 622.831
Т.И. Лазаревич, А.Н. Поляков, В.П. Скитович,
А.С. Харкевич
РАЗРАБОТКА МЕТОЛИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПЛАСТОВ В УСЛОВИЯХ СЛОЖНОГО ГЕОЛИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Из практики отработки удароопасных месторождений Кузбасса известно, что проявлению горных ударов наряду с горнотехническими факторами в равной степени способствуют неблагоприятные геодинамические условия отработки месторождений. Прежде всего, это наличие геодинамически активных разломов в местах проведения горных работ, предопределяющих картину неравномерного распределения природных напряжений в горном массиве и условия их возрастания в периоды геодинамической активности региона.
Горные работы на шахте №7 Соколовского месторождения Ерунаковского геолого-промыш-ленного района осложнены динамическими явлениями, интенсивное проявление которых началось при проведении по пласту 52 конвейерного и путевого стволов с очень малой глубины 110 м от поверхности в условиях нетронутого массива.
Практика ведения горных работ на удароопасных пластах показала, что В условиях Кузбасса с глубины 150 м горные удары проявились только при ведении очистных работ в условиях шахты «Распадская», что обусловлено наличием тяжелых кровель и зон повышенного горного давления. Для остальных шахт Кузбасса глубина проявления горных ударов составляет от 250 м и глубже.
Положение поля шахты №7 на территории Ерунаковского гео-
Рис. 1. Схема геодинамического строения территории поля шахты №7 и прилегающих участков земной поверхности
лого-промышленного района характеризуется его приуроченностью к южной части Соколовско-
го месторождения, входящего в состав промышленного района. Месторождение расположено в пределах северо-восточного крыла Соколовской (Кыргайской) брахисинклинали. В структурном отношении угле вмещающая толща представляет собой моноклинальную структуру.
В структурном отношении площадь поля шахты №7 представляет фрагментом земной поверхности шириной порядка 7 км, заключенной между крупными сопряженными разломами -Соколовский взброс и Иганин-ский взброс (рис. 1).
Крупнейшими неотектониче-
скими геодинамическими структурами на территории шахтного поля являются:
• региональный сдвиг северо-восточного простирания (нарушение 4 ранга), проходящий вдоль северной границы шахтного поля по руслу реки «Саланда;
• сопряженный с предыдущим нарушением региональный сдвиг северо-восточного простирания (нарушение 6 ранга), пересекающий центральную часть шахтного поля;
• региональный сдвиг северо-западного простирания (нарушение 7 ранга), пересекающий шахтное поле вблизи его южной границы.
Помимо перечисленных выше наиболее крупных геодинамически активных систем на территории шахтного поля фрагментарно проявлены более мелкие нарушения, отнесенные (в соответствии с их локальным характером) к нарушениям 8 ранга, и не играющих в геодинамическом режиме территории определяющей роли. Это два дугообразных нарушения северного фланга шахтного поля (по классификации нарушений -сброс), и два линейных нарушения южного фланга (сдвиги). Последние являются сопутствующими северо-восточному нарушению 4 ранга, стоящему в начале перечня.
В месте с тем появления горных ударов на соседних шахтных полях не отмечено, несмотря на идентичные схемы вскрытия и аналогичные горнотехнические условия проведения капитальных и подготовительных выработок смежного поля шахты «Котин-ская». Достигнутая глубина проходки наклонных стволов на этой шахте составляет 150 м, что превышает глубину возникновения первых динамических проявлений горного давления в стволах на шахте №7. При этом никаких осложнений в отношении проявления удароопасности при проведении наклонных стволов не возникло.
Близость крупных промышленных объектов, способных оказать значимое влияние на геодинамический режим территории поля шахты №7 в настоящее время не имеет места. На
ближайшей шахте "Котинская", поле которой непосредственно примыкает к полю шахты "7, пройдены только фланговые и центральные стволы и ведутся работы по проходке подготовительных выработок.
Другие ближайшие шахты "Угтал", "Вахрушева" и разрез "Талдинский-Северный" расположены на расстоянии порядка 10-12 км, годовые объемы добычи угля на них едва достигают 1,5-2,0 млн т. Глубина ведения горных работ на них не превышает 150 м, в связи, с чем вопрос о влиянии их на состояние недр в границах поля шахты №7 в настоящее время пока не стоит.
Таким образом, геодинамический режим поля шахты №7 может быть охарактеризован, как сложный.
В Кузбассе в качестве средств контроля за удароопасным состоянием массива в условиях сложного геодинамического режима месторождения внедрены две группы методов, взаимно дополняющих друг друга.
Первой из них отметим группу геофизических методов контроля, преимущество которых состоит в оперативности получения информации о состоянии массива и представительном охвате области эксперимента при постановке исследований. Их относительно слабой стороной остается косвенный характер зависимости регистрируемых характеристик от показателей напряженного состояния пород в массиве. Как правило, указанный недостаток компенсируется избыточным набором измерений на прогнозируемых участках, а также многократным проведением этих измерений в случае неоднозначной интерпретации их результатов.
В основе использования геофизических методов оценки гео-динамической активности недр лежит известный факт проявления резких аномалий в структуре естественных (в меньшей степени - наведенных) физических полей вблизи очагов напряженного состояния массива и геодинамически активных нарушений. Аномалии эти проявляют себя как в пространственной измен-
чивости регистрируемых параметров излучения, так и в резких временных вариациях параметров полей вблизи очагов концентрации напряжений и геодинамически активных нарушений на фоне слабо изменяющихся во времени параметров физических полей на удалении от указанных аномальных зон.
Вторая группа методов основана на непосредственном механическом воздействии на краевую часть массива инструментами и мерными приборами, регистрирующих реакцию материала слагающего горный массив (угля и горных пород) на механическое воздействие. Бесспорным преимуществом механических методов является то, что регистрируемые ими характеристики непосредственно отражают процессы макро- и микро разрушения угля в массиве, а также способность материала угля сопротивляться этому разрушению с учетом их фактического напряженного состояния. Получаемые при этом характеристики массива носят точечный характер, имеют большой разброс данных по площади эксперимента и не могут быть воспроизведены повторно в одной и той же точке.
Первая группа методов оценки напряженного состояния при помощи геофизических методов включает в себя:
• метод наведенных электромагнитных полей с помощью аппаратуры типа АЭШ - 1;
• метод регистрации параметров естественного электромагнитного излучения с помощью аппаратуры типа «Импульс» и «Ангел».
Физическая основа данных геофизических методов, методика проведения измерений и обработки результатов приведены в [1], [2].
Вторая группа методов диагностики горных ударов включает в себя:
• исследование удароопасного состояния краевых частей пласта методом по выходу бурового штыба;
• комплексные исследования прочностных свойств угля и вмещающих пород как элементов геомеханической системы;
Рис. 2. Результаты азимутальных наблюдений аппаратурой "Импульс" на поверхности шахтного поля.
1=4 „
^ - направление действия максимальных горизонтальных напряжений; ОтахКуз. - направление максимальных горизонтальных напряжений в Кузбассе; ОтахШах. - направление максимальных горизонтальных напряжений в пределах шахтного поля
• исследования фазовофизических свойств угольного массива.
При организации исследований на шахте №7 были использованы обе группы методов, объединенных общей логической схемой и системным подходом к анализу получаемых результатов с учетом преимуществ обеих групп методов. Работы выполнялись в период с 1995-2001 гг.
Инструментальные геофизические измерения были выполнены:
• на поверхности шахтного поля для установления направления действия главных напряжений;
• при проведении вскрывающих выработок, в подготовительных выработках и в лаве №5201 с целью оценки напряженного и удароопасного состояния массива пласта 52.
На поверхности шахтного поля выполнялись азимутальные измерения с целью определения направлений максимального (минимального) ИЭМ-излучения от естественных источников и проведения на основе этих наблюдений анализа наиболее вероятного направления действия максимальных горизонтальных напряжений в нетронутом массиве горных пород (до начала производства очистных работ по лаве 5201).
Азимутальные наблюдения проводились в четырех рассредоточенных по шахтному полю пунктах наблюдений с шагом разворота приемной антенны 30°. В процессе измерений осуществлялась регистрация уровня и интенсивности излучения по каждому из направлений установки приемной антенны (0, 30, 60, 90, 120...). За начальное направление при разметке ази-
мутальных направлений (направлений установки оси приемной антенны) принималось направление на север, задаваемое по компасу. Результаты наблюдений представлены на рис. 2.
По результатам азимутальных наблюдений установлено, что направление действия максимальных напряжений на территории шахтного поля имеет характерное двухполюсное распределение с преобладанием ориентировки этих направлений по азимуту 100о-135о и 140 о-170о.
Первое из указанных направлений (100о-135о) характеризуется двойной подчиненностью, ориентируясь либо перпендикулярно самому крупному в границах шахтного поля разлому - региональному сдвигу северо-восточного простирания (нарушение 4 ранга), проходящего вдоль северной границы шахтного поля по руслу реки «Саланда», либо совпадает с нормалью к линии простирания новейшего геодинамически активного разлома, регионального сдвига северо-восточного простирания (нарушение 6 ранга), пересекающего центральную часть шахтного поля (см. рис. 1).
Второе направление (140о-170о) в среднем соответствует общему направлению максимальных горизонтальных сжимающих напряжений в Кузбассе, превышающих вертикальную составляющую. Направление это обусловлено направлением простирания окаймляющих Кузнецкую котловину горных систем - Салаирского Кряжа и Кузнецкого Хребта.
Отметим, что компоненты напряжений с азимутом 135о оказали главенствующее влияние на проявление динамических форм горного давления в забое проводимых по пласту 52 выработок. Именно в данном направлении в абсолютном большинстве случаев были ориентированы осевые поверхности очагов динамического разрушения угля в забое выработок при их комбайновой проходке.
Инструментальные геофизические работы при проведении вскрывающих выработок (путевого и конвейерного стволов), в подготовительных горных выработках и в лаве №5201 проводились с целью оценки напряженного и удароопасного состояния массива пласта 52, выявления наиболее пригружен-ных и удароопасных участков пласта, установления закономерностей пространственного распределения и временных колебаний величин напряжений в зонах влияния горных выработок, а также для геомеханиче-ского обоснования параметров системы разработки, размеров целиков. Для оценки напряженности и удароопасности пласта 52 использовались:
• метод регистрации параметров естественного электромагнитного излучения с помощью аппаратуры типа «Импульс» и «Ангел»;
• метод наведенных электромагнитных полей с помощью аппаратуры типа АЭШ - 1.
Наблюдения методом регистрации параметров естественного электромагнитного излучения с помощью аппаратуры типа «Импульс» проводились в наклонных стволах непосредст-
венно по мере их проведения, в вентиляционном и конвейерном штреках 5201. Разбивка замерных точек производилась через 10 метров. Приемная антенна ориентировалась вдоль оси выработок.
Наблюдениями было установлено, что практически на всех профильных линиях отмечаются крупные фрагменты относительно стабильного состояния горного массива, на которых вариация параметров ИЭМ-излучений не превышает 20-30 % от их среднего значения по интервалам. На фоне участков стабильного состояния резко выделялись области повышенного и пониженного уровней излучений, часто имеющие в переходных зонах фрагменты резко колеблющихся значений интенсивности излучений от 0 до 7 единиц
В путевом и конвейерном стволах был отмечен динамический характер распределения нагрузок в массиве в районе участков, резко колеблющихся значений интенсивности излучений и достаточно стабильное состояние горного массива в районе участков, где вариация параметров ИЭМ-излучений не превышает 20-30 % от их среднего значения (рис. 3).
Наблюдения в штреках 5201 и 5203 показали более равномерный характер распределения напряжений в северной части шахтного поля, чем на его центральном участке. Вблизи геодинамически активных нарушений и на удалении от них интенсивность ИЭМ-излучений достаточно низка, не имеет явно выраженных аномалий и не содержит характерных изломов графика, свидетельствующих о
наличии участков концентрации напряжений.
Напряженное состояние пласта 52 методом наведенных электромагнитных полей с помощью аппаратуры типа АЭШ -1 оценивалось в различных горнотехнических условиях на длительном временном интервале. Исследования напряженного состояния пласта проводились как в зоне влияния очистных работ, так и вне зоны влияния очистных работ. Исследования проводились в режиме дипольного электромагнитного зондирования (ДЭМЗ). Пункты зондирования в выработках располагались на расстоянии 15 м друг от друга по всей их протяженности.
По результатам исследований методом ДЭМЗ были выявлены наиболее пригруженные участки выработок, произведена оценка качества крепления выработок, а также установлено:
• вне зоны влияния очистных работ (в целике у наклонных стволов) происходит релаксация напряжений за период около 3 лет с момента проведения стволов;
• в межлавных целиках характер формирования напряженного ядра зависит не только от временного фактора, а в большей степени от размеров целика;
• на глубинах исследований до 200 м ширина межлавных целиков должна составлять 20 м;
• в тех выработках, где по результатам серии измерений было установлено увеличение трещиноватости пород кровли, произведена не качественная установка крепления.
Исследования напряженности и удароопасности пласта 52
при помощи механических методов осуществлялось:
• методом по выходу буровой мелочи при бурении шпуров диаметром 43 мм;
• комплексными исследованиями прочностных свойств угля и вмещающих пород как элементов геомеханической системы;
• исследованиями фазовофизических свойств угольного массива.
Исследования выполнялись на длительном временном интервале по мере проведения выработок, вне зоны и в зоне влияния очистных работ.
Оценка напряженного состояния угольного массива по выходу буровой мелочи определена «Инструкцией по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих
угольные пласты, склонные к горным ударам» как базовый метод для выполнения прогноза горных ударов на угольных шахтах. На основе сопоставления с результатами прогноза данным методом проверялась работоспособность всех других методов прогноза, производилась тарировка их количественных показателей, как показателей удароопасности.
Для установления истинных прочностных свойств угля, пород кровли и почвы пласта 52, которые характеризуют и удароопасные свойства разрабатываемого пласта, были выполнены комплексные исследования прочностных свойств угля и вмещающих пород как элементов геомеханической системы почва-пласт-кровля.
Испытания угля и вмещающих пород пласта 52 проводились по пробам, отобранным из
выработок пройденным по пласту 52.. Всего было отобрано 264 пробы.
Результаты испытания физико-механических свойств угля и вмещающих пород пласта 52 показали, что уголь и вмещающие породы имеют высокую прочность, что увеличивает склонность системы почва-пласт-кровля к динамическому разрушению.
На основании информации о фазово-физических свойствах угля оценивается механическое и газодинамическое состояние пласта и его склонность к газодинамическим явлениям - к горным ударам, внезапным выбросам угля и газа, внезапным обрушениям и явлениям комбинированного типа.
Оценка и прогноз механического состояния угольных пластов осуществляется с помощью анализа информации о макро и микропористой структуры угля и степени его водонасыщения. Для этого определяются сле-
дующие параметры фазовофизического состояния (ФСС) пластов: максимальная гигро-
скопичность угля Wмг, характеризующая «сорб-ционный» по-ровый объем по отношению к жидкой фазе, включая переходные поры (коллектор влаги и газа); структурный показатель Омг, отражающий долевое участие в общей пористости «сорб-цион-ного» порового объема (чем меньше показатель Омг, тем более крупнопористой является структура угля); показатель «естественного» водонасыщения Ое характеризующий напряженность пласта с учетом газового фактора; показатель естественной влажности We. При сравнении показателя We с Wмг можно судить об уровни нагрузок в пласте.
Определение этих параметров осуществлялось в лабораторных условиях по методике изложенной в [3] из образцов, отборных в горных выработках.
Полученные показатели ФФС угля пласта 52 характеризуют его как пласт, типично угрожаемый по горным ударам, начиная с глубины 150 м от поверхности, что подтверждает результаты, полученные с использованием вышеописанных методов.
Таким образом, для месторождений со сложным геоди-намическим режимом необходимо использовать комплекс методов диагностики состояния массива Представленный методический подход позволил установить закономерности в формировании полей напряжений вокруг выработок пласта 52, оценить нагружен-ность и устойчивость целиков, а также спрогнозировать поведение угольного массива при последующем проведении вскрывающих и подготовительных выработок, ведении очистных работ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Методические указания по сейсмоакустическим и электромагнитным методам получения критериев степени удароопасности. - Л., ВНИМИ, 1986.
2. Исаев Ю.С., Скакун А.П, Яковлев В.А., Мпльман Г.Л. Новая шахтная геофизическая аппаратура для оценки и
контроля строения, свойств и состояния массива горных пород. Горная геофизика. С Петербург, 1998 г.
3. Методические указания по прогнозированию динамических явлений на угольных пластах по их фазовофизическим свойствам. Ленинград. ВНИМИ, 1981 г.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------------------------------------------------------------------------------
Лазаревич Тамара Ивановна - кандидат технических наук, Кемеровское Представительство Федерального государственного унитарного предприятия «Государственный научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ», г. Кемерово.
Поляков Александр Николаевич - кандидат технических наук, заведующий сектором мониторинга, Кемеровское Представительство Федерального государственного унитарного предприятия «Государственный научноисследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ», г. Кемерово.
Скитович Владимир Павлович - научный сотрудник, Кемеровское Представительство Федерального государственного унитарного предприятия «Государственный научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ», г. Кемерово.
Харкевич Андрей Сергеевич - инженер, Кемеровское Представительство Федерального государственного унитарного предприятия «Государственный научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела -Межотраслевой научный центр ВНИМИ», г. Кемерово.
Файл: САШУРИН
Каталог: GA^ работе в универе\2002\Папки 2002\GIAB12-0
Шаблон:
C:Шsers\Таня\AppData\RoammgYMlcmsoft\Шаблоны\
Normal.dotm
Заголовок: Разработка методических принципов оценки напря-
женного состояния пластов в условиях сложного геодинамического режима месторождения Содержание: Семинар №3
Автор: Alexandre Katalov
Ключевые слова:
Заметки:
Дата создания: 28.10.2002 10:17:00
Число сохранений: 36
Дата сохранения: 02.12.2008 23:21:00 Сохранил: Таня
Полное время правки: 42 мин.
Дата печати: 02.12.2008 23:33:00
При последней печати страниц: 5
слов: 2 921 (прибл.)
знаков: 16 653 (прибл.)
