CC BY
65
© И.А. Южанин, В.П. Коптиков, В.П. Евдокимова, 2011
УДК 622.831
И.А. Южанин, В.П. Коптиков, В.П. Евдокимова
РЕШЕНИЕ ЗАДА Ч ЗАЩИТНОЙ РАЗРАБОТКИ ПЛАСТОВ МЕТОДАМИ МА ТЕМА ТИЧЕСКОЙ СТА ТИСТИКИ
Установлено, что в формировании защитного действия опережающей разработки пластов участвует физическая система защитный пласт — междупластье — подзащитный пласт. Влияние междупластья характеризуется величиной относительной деформации пород. Разработаны математические модели для определения эффективности опережающей защиты пластов, склонных к газодинамическим явлениям.
Ключевые слова: явления геодинамические, пласты защитные, статистика математическая.
Разработка угольных пластов в Донбассе осложняется проявлением газодинамических явлений (ГДЯ): внезапных выбросов угля и газа, выдавливаний, обрушений угля, горных ударов. Наиболее радикальным средством предотвращения ГДЯ является опережающая разработка защитных пластов. Теория защитного действия опережающей разработки пластов, созданная в 60—80 гг. прошлого столетия под руководством И.М. Петухова [1, 2], явилась научной базой нормативных документов, регламентирующих правила защитной разработки (СОУ 10.1.00174088.011— 2005. Правила ведения горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям). К настоящему времени этот документ не в полной мере соответствует изменившимся условиям ведения горных работ.
Это относится в первую очередь к увеличению глубины разработки современных шахт до 1000—1400 м. На этих глубинах при надработке крутопадающих пластов и длине лавы 130 м расчетная дальность защитного действия составляет 20—25 м, в то время как на практике она достигает 30—35 м и более.
Кроме того, действующий нормативный документ не дифференцирует расчет дальности защитного действия в зависимости от видов ГДЯ, хотя в этом есть настоятельная необходимость. Так, анализ внезапных обрушений угля, произошедших в условиях опережающей разработки пластов, показал, что эти явления происходили при минимальной мощности пород междупластья, равной 10 м при надработке и 30 м при подработке, хотя внезапных выбросов угля и газа при указанных междупластьях не отмечалось. Следовательно, дальность защитного действия для пластов, склонных к внезапным обрушениям угля, ниже, чем для пластов, склонных к внезапным выбросам угля и газа.
К настоящему времени накоплен большой объем исходных материалов по опережающей защитной разработке пластов, причем как при проявлении ГДЯ, так и при их отсутствии. Он представляет собой практически промышленный эксперимент, который нуждается в анализе и обобщении. К исходным материалам относят: горно-геологические, геомеханические и горнотехнические условия разработки пластов в свите, параметры и свойства защитных и подза-
щитных пластов, пород междупластья, наличие или отсутствие ГДЯ, их вид.
В результате выполненных исследований методами математической статистики и путем логического анализа теория защитного действия получила дальнейшее развитие. Так, исследования эффективности опережающей надработки выбросоопасных пластов позволили установить следующие закономерности:
• в формировании защитного действия опережающей разработки пластов, как единое целое, участвует физическая система защитный пласт — междупластье
— подзащитный пласт;
• влияние пород междупластья на формирование защитного действия опережающей разработки пластов характеризуется величиной относительной деформации пород на уровне подзащитного пласта; она является интегральным показателем, отражающим влияние горно-геологических и горнотехнических условий разработки пластов;
• величина относительной деформации пород междупластья определяется соотношением мощности и крепости породных слоев, их взаиморасположением.
Исследования эффективности защитной разработки в более широком диапазоне геомеханических условий (над- и подработка, зоны повышенного горного давления — зоны ПГД) на пластах, склонных к различным видам ГДЯ (внезапные выбросы угля и газа, внезапные выдавливания и обрушения угля) — подтвердили вышеприведенные закономерности и позволили разработать способ определения эффективности защитного действия опережающей разработки пластов в различных условиях.
Ниже приведены результаты исследований применительно к опережающей подработке пластов, склонных к различным видам ГДЯ.
Для однородного массива величина относительной деформации при подработке определяется из выражения
е = |ехр2,359 + 1,128 • Ш уН ' 008а -
-0,591 • — I, (1)
а • т9 \
где стс — предел прочности на одноосное сжатие, МПа; у — объемный вес пород, равный 0,025 МН/м3. Остальные обозначения приведены в табл. 1.2.
При расчете деформаций слоистого массива пород методика предусматривает использование уравнения, полученного для однородного массива, с применением понятия условного расстояния, т.е. расстояния до защитного пласта, приведенного к крепости породы рассматриваемого слоя. Тем самым учитывается эффект «экранирования» слоев. Методика расчета деформаций для подрабатываемого слоистого массива аналогична методике для надрабатываемого массива [3], за исключением значения максимальной мощности, учитываемой при взаимовлиянии соседних слоев.
Кроме относительной деформации, методами математической статистики (корреляционный анализ, факторный анализ — метод главных компонент) выявлены другие факторы физической системы защитный пласт — междупластье
— подзащитный пласт, формирующие защитное действие опережающей разработки защитных пластов, и установлены математические модели для определения его эффективности.
Математические модели, разработанные методом главных компонент, позволяют описать пространство исходных коррелирующих факторов двумя независимыми главными компонентами.
Таблица і
Исходные данные, использованные при разработке математических моделей
Наименование элементов физической системы Наименование показателей Обозначение показателей и единицы измерения
Защитный пласт Вынимаемая мощность тв, м
Глубина горных работ Н, м
Угол падения пород, градус а, градус
Ширина выработанного пространства по падению (простиранию) а (Ь), м
Способ управления горным давлением -
Междупластье Мощность пород междупластья h, м
Подзащитный пласт Вынимаемая мощность т, м
Количество слагающих пласт пачек п
Выход летучих веществ У1а/, процент
Содержание влаги Ш, процент
Содержание золы Ас, процент
Природная газоносность X, м3/т с.б.м.
Таблица 2
Расчетные данные, использованные при разработке математических моделей
Наименование и обозначение показателей, единицы измерения Способ определения
Эффективная мощность защитного пласта тэ, м [3]
Величина относительной деформации пород междупластья 8, %о Формула (і)
Показатель выхода летучих веществ подзащитного пласта KVdaf [3]
Природная газоносность подзащитного пласта, пересчитанная на уголь с учетом содержания в нем золы и влаги Xy, м3/т По методике МакНИИ
Остаточная газоносность подзащитного пласта X0, м3/т
Период времени между разработками защитного и подзащитного пластов Т, месяц [3]
Модели дифференцированы по виду геомеханического влияния (над- и подработка, в т.ч. повторная, зоны ПГД) и виду ГДЯ. Ниже представ-лены модели для определения эффективности защитного действия опережающей подработки пластов, склонных к следующим видам явлений:
• внезапным выбросам угля и газа
F = -0,4856 --2,018 • in mf --0,942 • 10-1 • in є +
+0,315 • 10-1 • n F2 = -2,110 --0,566 • in mf +
+0,743 • in є --0,7176 • in h I а --0,168 • m + 0,267 • Xy I X0
• внезапным выдавливаниям угля
'/= =-0,643 --1,548 • £п т. --0,193 • £п є + 0,569 • 10 1 • т + <+0,558 • 10-1 • п + 0,118 • 10 1 • £пХ0 F2 =-0,509 + 2,424 • £п т. - (3)
-0,962 • £п є + 0,757 • т +
+0,308 • п + 0,182 • £пХ0
• внезапным обрушениям угля
'/= =-0,349 -1,470 • £пт. --0,199 • £п є + 0,863 • 10-2 • т +
+0,385 • 10-1 • п-0,299 • 10-1 • Ху / Х0 F2 =-1,611 -1,923 • £п т. + (4)
+1, 1895 • £п є - 0,350 • т -
-0,1176 • п + 0,255 • Ху / Х0
В представленных моделях первая компонента F1, извлекающая основную долю общей дисперсии факторного пространства, отражает формирование защитного действия в зоне разгрузки, а вторая компонента F2 — в зоне восстановления нагрузок. Пространство двух главных компонент охватывает 8890 % дисперсии исход-
1. Теория защитных пластов [Текст] / И.М. Петухов, А.М. Линьков, В.С. Сидоров, А.А. Фельдман. — М.: Недра, 1976. — 224 с.
2. Петухов И.М. Механика горных ударов и выбросов [Текст] / И.М. Петухов, А.М. Линьков. — М.: Недра, 1983. — 280 с.
ных многомерных точек (объектов) и представляет четкое их разделение на три области защиты: эффективно и неэффективно защищенные области, область отсутствия защиты.
Для определения вероятностей попадания разрабатываемых пластов в ту или иную область защиты вы-полняется процедура дискриминантной классификации в двумерном пространстве главных компонент.
Установление категории защиты разрабатываемых пластов, склонных к газодинамическим явлениям, как следствия опережающей разработки защитных пластов, осуществляется по той же принципиальной схеме, что была представлена в [3]: аналитически, с помощью вероятностных оценок; графически, либо с помощью специального программного обеспечения МакНИИ.
Представленные математические модели определения эффективности опережающей защиты пластов, склонных к ГДЯ, явятся основой составляемого в настоящее время отраслевого стандарта по защитной разработке.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Евдокимова В.П. Статистический способ определения эффективности защитного действия опережающей надработки выбросоопасных пластов [Текст] / В.П. Евдокимова, В.П. Коп-тиков, И.А. Южанин. — Донецк: Вебер (Донецкое отделение), 2007. — 443 с. ЕШ
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------
Южанин И.А. — кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, вед. научный сотрудник УкрНИМИ НАН Украины, тел. (062) 388-07-13,
Коптиков В.П. — доктор технических наук, профессор, зам. директора по научной работе тел. (06232) 96-2-71;
Евдокимова В.П. — кандидат технических наук, ст. научный работник,
Макеевский государственный научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности (МякНИИ)._____________________________________________________
