CC BY
16
© A.M. Брюханов, В.П. Коптиков, И.А. Южанин, В.П. Евдокимова, 2013
УДК 622.831
А.М. Брюханов, В.П. Коптиков, И.А. Южанин, В.П. Евдокимова
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ НАДРАБОТКИ ПЛАСТОВ, СКЛОННЫХ К ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ ЯВЛЕНИЯМ
Приведены основные положения и математические модели статистического способа определения эффективности опережающей надработки пластов, склонных к газодинамическим явлениям. Дана обобщенная оценка моделей с точки зрения описываемых ими геомеханических и физических процессов, а также технико-экономическая оценка способа.
Ключевые слова: защитная надработка, газодинамическое явление, математическая модель, геомеханические и физические процессы, оценка.
Опережающая разработка защитных пластов является наиболее кардинальным региональным способом предотвращения всех видов газодинамических явлений (ГДЯ). При этом опережающая надработка имеет явные преимущества перед подработкой с точки зрения развития горных работ на пластах пологого падения и обеспечения полноты защиты на крутых пластах.
Изменившиеся условия разработки угольных пластов, в первую очередь увеличение глубины ведения горных работ до 1000-1400 м, потребовали пересмотра положений, регламентирующих расчет эффективности защитного действия [1], научной основой которых являлись исследования, выполненные под руководством И.М. Пету-хова в 60-80 гг. прошлого столетия [2].
В МакНИИ и УкрНИМИ разработан нормативный документ по определению эффективности защитного действия опережающей разработки [3] на научной основе, положения которой изложены ниже.
1. Защитное действие опережающей разработки пластов формируется
характеристиками и свойствами физической системы, включающей защитный пласт-междупластье-подза-щитный пласт.
2. В формировании защитного действия участвуют горно-геологические и горнотехнические условия разработки защитного пласта (мощность, угол падения, глубина, ширина выработанного пространства, способ управления горным давлением).
3. Защитное действие пород меж-дупластья охарактеризовано величиной относительной деформации пород на уровне подзащитного пласта, которая определяется по мощности и прочности всех слоев междупластья, их взаиморасположения с учетом эффекта «экранирования» деформаций.
4. Влияние подзащитного пласта на формирование защитных свойств характеризуется его мощностью, количеством слагающих его пачек, газоносностью, выходом летучих веществ, содержанием пластовой золы и влаги.
5. Учтено влияние газового фактора на формирование защитного действия посредством определения
остаточной газоносности подзащитного пласта.
6. Между факторами, формирующими защитное действие опережающей разработки, и эффективностью защитного действия существуют зависимости, установленные методами математической статистики.
7. Указанные зависимости (математические модели) служат для определения категории защиты пластов при опережающей разработке дифференцированно по виду геомеханического влияния (над- или подработка) и виду ГДЯ (внезапные выбросы угля и газа, внезапные выдавливания угля, внезапные обрушения угля, горные удары).
Основой для разработки математических моделей определения эффективности опережающей надработки угольных пластов, склонных к ГДЯ, послужила база данных, включающая геомеханические, горно-
геологические и горнотехнические характеристики ведения горных работ:
• характеристики защитного пласта: шв - вынимаемая мощность, м; Н -глубина разработки, м; а - угол падения пород, градус; а (В) - ширина выработанного пространства по падению (простиранию) пласта, м;
• характеристики междупластья: Ш] - мощность слоев, слагающих меж-дупластье, м; ст, - прочность на одноосное сжатие каждого породного слоя, МПа;
• характеристики подзащитного (надрабатываемого) пласта: ш - вынимаемая мощность, м; п - количество слагающих пачек; - выход летучих веществ, процент; X - природная газоносность, м3/т с.б.м.; IV - содержание влаги, процент; Ас - содержание пластовой золы, процент.
Дополнительно рассчитываются следующие показатели [3]:
шэ = / (шв, ку, где ку - коэффициент, учитывающий способ управления горным давлением, м;
е = / (ш, стс] , Н а, а) - относительная деформация пород междупластья на уровне подзащитного пласта, промилле (%о);
М = / (ш) - мощность пород междупластья, м;
X = / (X, Шв, ку, а, М IV, Лс, \/а/ -остаточная газоносность подзащитного пласта, м3/т;
№ = / (- показатель выхода летучих веществ.
В математические модели (табл. 1) входят расчетные показатели и часть исходных.
Категорию защиты надрабатывае-мых пластов определяют дифференцированно по виду ГДЯ через систему главных компонент {/1,/2} согласно [3].
Модели, разработанные методом главных компонент, представляют собой систему неявных обобщающих переменных, присущих реальным геомеханическим и физическим процессам, протекающим в массиве пород при опережающей надработке.
Как известно, угольный пласт при его надработке (аналогично и подработке) претерпевает три стадии деформирования (рис. 1): сжатия по нормали к напластованию (зона I -повышенного горного давления -ПГД), растяжения (зона II - разгрузки) и повторного сжатия (зона III - восстановления нагрузок).
При разработке свит пластов зона ПГД играет отрицательную роль. Она характеризуется повышенным напряженным состоянием и, вследствие этого, повышенной опасностью проявления ГДЯ.
В зоне растяжения в максимальной мере проявляется эффект разгрузки, дегазации надрабатываемого пласта.
Таблица 1
Математические модели определения эффективности опережающей зашиты пластов, склонных к ГДЯ
Шифр моделей Вид моделей
ВН • Д =-0,733-1,725-£пшэ - 0,313-£п е + 0,2955-10-1 -ш- - 0,159 -10-1 - КУ + 0,231 -10-2 - Х0 Д2 = -0,9646 - 0,838 - £пшэ + 0,751 - £п е + 0,7285 -10-1 - ш + + 2,052- КУ - 0,236 -10-1 - Х0
ДН, УН | Д =-0,758-1,588- £пшэ-0,280- £пе + 0,384- 10-1 - ш + 0,743- 10-2 - Х0 [Д2 =-0,174 - 2,055-£птэ +1,591-£п е- 0,329-ш - 0,348-10-1- Х0
ОН • Д = -1,161 - 0,205-£п е + 0,298-£пш/п + 2,484- £п№ + + 0,881-10-2 -£пХ0 Д2 = 0,362 +1,224- £п е + 0,137- £пш / п + 0,141-£пШ -- 0,243 -10-1 -£п Х0
Примечание. В шифре моделей первая буква означает вид ГДЯ: В - выбросы, Д - выдавливания, У - горные удары, О - обрушения; вторая буква - вид геомеханического влияния: Н - надработка.
Протяженность этой зоны не превышает 300 м.
В зоне восстановления нагрузок на почве защитного пласта происходит восстановление первоначальных напряжений, существующих до разработки пласта. Однако вследствие произошедшей в этой зоне дегазации
пород возникновение внезапных выбросов угля и газа в ней исключается, но возможно проявление ГДЯ негазового вида (внезапные выдавливания, горные удары).
В свете вышеизложенного анализ математических моделей позволил установить следующие особенности.
1. Каждой модели присущ набор показателей (факторов), влияющих на формирование защитного действия.
2. Каждая модель содержит одинаковые показатели в обеих компонентах.
3. Вклад отдельных показателей в дисперсию компонент модели различен и приведен в табл. 2.
4. Показатели в моделях можно разделить на две группы: одни из них всеобъемлющие - входят в состав
Е / Ж
и 1 С 1 / 11 III
Характер деформирования надрабатываемого пласта: £т - расстояние до максимума опорного давления
Таблица 2
Вклад отдельных показателей в дисперсию компонент
Шифр модели Дисперсия компонент модели (доля каждой компоненты) Обозначение показателей Вклад показателей в дисперсию компонент модели, процент
вн 85 % (0,640; 0,210) тэ 54,99
8 16,45
т 0,19
KV 1,32
К 12,05
ДН, УН 91,2 % (0,801; 0,101) т3 67,96
8 21,83
т 0,61
К 1,60
он 83,6 % (0,571; 0,265) 8 55,60
m/n 2,58
W 0,19
X 25,22
всех моделей, другие свойственны отдельным моделям.
К первой группе относятся: величина относительной деформации на уровне подзащитного пласта е, вынимаемая мощность подзащитного пласта т и его остаточная газоносность Хо. Эти показатели характеризуют процесс формирования защитного действия всеми элементами системы: защитного пласта и междупластья -через величину деформации е, подзащитного пласта - через его мощность т и величину остаточной газоносности Хо как газового фактора системы.
Вторую группу показателей представляют: эффективная мощность защитного пласта тэ; показатель выхода летучих веществ ЮУ; количество пачек п, слагающих подзащитный пласт; содержание влаги в подзащитном пласте IV.
Показатель тэ не входит в модель ОН, потому что внезапные обрушения происходят только на пластах крутого падения, эффективная мощность которых находится в узком диапазоне
значений 0,5^0,9 м. Тем не менее, этот фактор учитывается в модели опосредованно через величину относительной деформации.
Показатель ЮУ входит только в модель защиты пластов, опасных по выбросам угля и газа, в развязывании которых газовый фактор играет одну из основных ролей. Показатель КУ определяется по формуле
уёа£ _ уёа£
' " (1)
KV =
v:
daf
где Уёа£ - значение выхода летучих веществ при максимальной частоте внезапных выбросов угля и газа -принимают равным 16,98 %. Поскольку \Уа( характеризует степень метаморфизма угля, формула (1) отражает тот факт, что эффективность защитного действия опережающей надработки выбросоопасных пластов повышается в сторону увеличения степени метаморфизма от Уп
daf
- К
антрацитам, так и уменьшения ее - к бурым углям.
Необходимо обратить внимание на то, что соответствует максимальной природной газоносности выбро-опасных пластов. А так как между этими показателями существует корреляционная связь, показатель КУ усиливает роль газового фактора в модели ВН, что несвойственно моделям ДН, УН, ОН, разработанным для видов ГДЯ динамического вида.
Факторы: п - количество пачек, слагающих надрабатываемый пласт, и IV - содержание в нем влаги - присутствуют только в модели ОН. Объяснение этому следующее. Показатель п характеризует структуру пласта: чем больше пачек, его слагающих, тем выше вероятность того, что среди них окажется пачка (пачки) угля со слабым нарушенным углем или слабым сцеплением межслоевых контактов, что может спровоцировать внезапное обрушение угля. Аналогично объясняется влияние показателя IV: более влажный уголь менее склонен к обрушению, поэтому эффективность защиты таких пластов (при прочих равных условиях) выше, чем менее влажных.
5. Компоненты, входящие в состав математических моделей, отражают разные стадии деформирования надработанного пласта: первые компоненты характеризуют влияние процесса разгрузки (II стадия) на эффективность защиты, вторые -влияние процесса восстановления нагрузок (III стадия). С точки зрения эффективности защиты первые и вторые компоненты «работают» в противоположных направлениях. Поэтому факторы, действующие в обеих компонентах в одном направлении, имеют одинаковые знаки, и наоборот, действующие в разных направлениях, - противоположные знаки. Этот вывод справедлив для
факторов, имеющих большой вес (вклад составляет, как правило, более 10 %, см. табл. 2).
Так, большая величина относительной деформации пород между-пластья повышает эффективность разгрузки и в то же время ускоряет процесс восстановления нагрузок, поэтому она входит в компоненты с разными знаками. Более высокая мощность защитного пласта повышает эффект разгрузки, но снижает эффект восстановления нагрузок, поэтому она входит в компоненты моделей ВН и ДН (УН) с одинаковыми знаками.
Показатели, входящие в состав первых компонент, могут иметь одинаковые знаки или противоположные. Показатели, имеющие один и тот же знак, оказывают влияние на эффективность защиты в одном направлении (увеличение или уменьшение).
Например, в модели ВН с увеличением эффективной мощности защитного пласта тэ, относительной деформации пород междупластья е, показателя выхода летучих веществ ЮУ эффективность защиты повышается, что легко объясняется физикой процесса разгрузки. Увеличение мощности подзащитного пласта т повышает вероятность внезапного выброса угля и газа и, следовательно, уменьшает эффект защиты при прочих равных условиях. Повышенная остаточная газоносность пласта Хо свидетельствует о недостаточной его дегазации и приводит к уменьшению эффекта защиты.
Во вторых компонентах знаковая однозначная взаимосвязь показателей с эффективностью защиты, характерная для первых компонент, прослеживается только для показателей с большим вкладом. Это объясняется тем, что процесс восстановления нагрузок более сложный, чем процесс разгрузки. Он зависит от вре-
Таблица 3
Результаты сравнения расчетов категорий зашиты по разработанному и нормативному способам с учетом дифференциации по условиям зашитной надработки
Наличие выбросов Категория зашиты по способам Сравнение способов Результаты оценки разработанного способа Количество объектов, %
нормативному разрбо-танному
0 НЭ Э + Повышение точности определения категории защиты. Исключение прогноза выбросоопасности или мероприятий по оценке и контролю эффективности защитного действия. Расширение объема эффективной защиты. 19 (8,8)
Э Э = Равенство категорий 55 (25,3)
НЭ НЭ = То же 10 (4,6)
Э НЭ — Результаты по п.1 со знаком « - » 7 (3,2)
НЭ О Ошибки II рода. Снижение точности. Замена контроля эффективности прогнозом выбросоопасности 3 (1,4)
Э О Ошибка II рода. Снижение точности. Введение прогноза выбросоопасности 1 (0,5)
1 НЭ О + Повышение точности определения категории защиты 63 (29)
Э О + Исключение ошибок I рода. Повышение точности. Исключение затрат на ликвидацию последствий аварий вследствие проявления выбросов 2 (1,0)
Э НЭ + То же 1 (0,5)
О О = Равенство категорий 32 (14,7)
НЭ НЭ = То же 22 (10,1)
О НЭ — Снижение точности определения категорий защиты 2 (0,9)
ИТОГО: 217 (100)
Примечание. В графе "Категория защиты по способам" приняты следующие обозначения категории защиты: Э - эффективная, НЭ - неэффективная, О - отсутствие.
мени, прошедшего после надработки, полноты зоны восстановления по простиранию и падению пласта,
вида ГДЯ и других факторов. Напомним, что чем интенсивнее и полнее проявляется процесс вос-
становления нагрузок, тем вероятнее возникновение в этих зонах ГДЯ, в первую очередь динамического вида.
Таким образом, разработанные математические модели определения эффективности опережающей надра-ботки пластов, склонных к ГДЯ, имеют реальную геомеханическую и физическую интерпретацию.
В заключение выполним сравнительный анализ определения эффективности защитного действия по разработанному [3] и действующему [4] нормативным документам. Расчеты произведены для модели ВН, разработанной на наиболее представительной выборке (табл. 3).
Предлагаемый способ определения эффективности защитного действия опережающей надработки выбро-соопасных пластов по сравнению с
1. НАОП 1.1.30-5.06-89. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа. - М.: Минуглепром СССР, 1989. - 191 с.
2. Теория защитных пластов / И.М. Петухов, А.М. Линьков, В.С. Сидоров и др.. -М.: Недра, 1976. - 224 с.
3. СОУ-П 10.1.00174088.016:2009 Правила определения эффективности опе-
нормативным является более эффективным вследствие того, что он:
-характеризуется отсутствием ошибок первого рода;
-на 33,2 % повышает точность определения категории защиты;
-на 6,6 % увеличивает объем эффективной защиты от общего количества защищаемых пластов и на 10,3% от количества неэффективно защищенных пластов;
-обладает бульшей универсальностью, возможна дифференциация применения способа по различным критериям.
Отметим, что разработанный статистический метод определения эффективности защитного действия может быть использован для решения большого класса задач, возникающих при применении опережающей разработки защитных пластов.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
режающей защиты пластов, склонных к газодинамическим явлениям. - Введ. 200906-01 - Киев: Минуглепром Украины, 2009.- 36 с.
4. СОУ 10.1.00174088.011-2005. Правила ведения горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям. -Киев: Минуглепром Украины, 2005. — 191 с. ЕИЭ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Брюханов Александр Михайлович — доктор технических наук, старший научный сотрудник, директор,
Коптиков Виктор Павлович — доктор технических наук, профессор, зам. директора по научной работе,
Евдокимова Вера Петровна — кандидат технических наук, старший научный работник, Макеевский государственный научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности,
Южанин Илья Андреевич — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник,
Украинский государственный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт горной геомеханики, геологии и маркшейдерского дела НАН Украины,
