CC BY
32
© Б.В. Власенко, Т.И. Лазаревич 2003
УДК 622.83
Б.В. Власенко, Т.И. Лазаревич
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ШАХТНОГО ГЕОФИЗИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ И КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ НА УЧАСТКЕ ОТРАБАТЫВАЕМОГО ПЛАСТА
А еомеханический мониторинг (ГмМ) пред-ставляет АЛсобой комплексную систему регламентированных на-
-^блюдений, оценки и прогноза геомеханического состояния массива горных пород и проявлений горного давления при подземной разработке месторождения [1]. Геомеха-нический мониторинг на шахтах Кузбасса в настоящее время осуществляется регламентированными периодическими наблюдениями на специально оборудованных полигонах геофизическими и геомеханическими методами.
В основе метода геофизического измерения наведенного электромагнитного поля F лежит зависимость амплитуды электромагнитного поля от удельной электропроводности горных пород. [2, 3, 4].
Параметр F = УхУУ^ в плоскости, перпендикулярной оси выработки, и F = Ухх / Угг - в направлении кровля-почва пласта, где Ухх ,Ууу, Угг - амплитуда электромагнитного поля в трех направлениях, измеряется в режимах дипольного электромагнитного профилирования (ДЭМП) или зондирования (ДЭМЗ).
Параметр наведенного электромагнитного поля F является интегральной характеристикой типа пород, структуры массива, его естественную трещиноватости и нарушенности массива трещинами. Трещины в массиве являются следствием различной напряженности в точках угольного пласта как первоначальной состоянии, так от и воздействия горных работ. Следовательно, параметр F может характеризовать напряженность угольного массива.
На основе многочисленных наблюдений установлены критериальные значения показателя напряженности F при различных состояниях устойчивости целиков.
Так, зона трещиноватости в бортах целика определяется значениями F>1,0. Устойчивому ненарушенному состоянию угля в целике соответствует значение F < 0,20. Пригруженное ядро целика определялось значением F <
0,12 с разбросом для разных пластов до 0,18. При этом на удароопасных пластах при расположении ядра в пределах защитной зоны ситуация определяется как удароопасная.
Этот метод оценки напряженности массива использовался на шахтах Кузбасса для оценки устойчивости межлав-ных, барьерных и других целиков.
В качестве примера представлены результаты оценки
Рис. 1. Карты параметров F напряженности и трещиноватости угольного массива: а - в межлавном целике по пласту 26а участка «Антоновский-3» (лава 26-33) на шахте «Полосухинс-кая»; б - в целике между стволами по пласу 52 на шахте «Соколовская».
устойчивости межлавного целика по пласту 26а на шахте «Полосухинская» и в целике между стволами по пласту 52 на шахте «Соколовская»).
Пласт 26а мощностью 2,0 м и углом падения 7-8о отрабатывается лавой 26-31 с механизированным комплексом 4ОПК-70 на глубине до 200 м. Крепление конвейерного и вентиляционного штреков - анкерное. Оценивалась устойчивость межлавно-го целика размером 10 м между конвейерным штреком 26-31 и вентиляционным штреком 26-33 при отработке лавы 26-31. Необходимость инструментальной оценки возникла в связи с тем, что проектный размер целика был в два раза больше и составлял 20 м.
Измерения с помощью геофизической аппаратуры проведены по вентиляционному штреку 26-33 в сторону межлавного целика на протяжении 595 м от монтажного бремсберга (рис. 1, а).
Это позволило проследить состояние целика в различных геомеханических ситуациях: вне зоны влияния очистных работ лавы 26-31 (замерные пункты 1-10); в зоне влияния впереди лавы 26-31 (замерные пункты 10-16); под отработанной лавой в зоне стационарного опорного давления (замерные пункты 17-29).
УГОЛЬНЫЙ МАССИВ ПЛАСТА 26а
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
угольный: ^ліассив
УГОЛЬНЫЙ МАССИВ ПЛАСТА 52
к о н в е и е р
К Т Ы З О Н Д И Р О В А Н И Я 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
п V т е в о и
7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
П У Н К Т Ы З О Н Д И Р О В А Н И Я
Г
УГОЛЬНЫЙ МАССИВ ПЛАСТА 52
а
Г
1.00
0.20
0.12
0.00
570 м
б
1.00
0.20
0.12
0.00
135
595 М
Замерные пункты зондирования располагались в вентиляционном штреке 26-33 через 5 м, а зондирование целика проводилось через 1 м.
Анализ полученных результатов показал следующее:
• ширина зоны трещиноватости в борту межлавного целика со стороны вентиляционного штрека 26-33 составляет не более 1 м практически на всем протяжении;
• ширина зоны трещиноватости в борту межлавного целика со стороны конвейерного штрека 26-31 составляет около 2 м
• под отработанной лавой;
• за пределами зон трещиноватости целик имеет ненарушенную структуру с равномерной напряженностью пласта, где показатель F < 0,20;
• впереди забоя движущейся лавы 26-31 в целике формируется напряженное ядро, где значения F < 0,12. Однако это ядро смещено за пределы ширины защитной зоны пласта
• 26а, составляющей для рассматриваемых условий 5 м, т.е. удароопасной ситуации не создается;
• максимум зоны опорного давления от лавы 26-31 составляет около 30 м; ширина зоны отжатого угля не превышает 3 м.
На основании полученных результатов сделан вывод о том, что межлавный целик размером 10 м в рассмотренных условиях на глубине до 200 м и при принятом паспорте анкерного крепления является ненарушенным, достаточно устойчивым как в нетронутом массиве, так и в зоне опорного давления движущейся лавы и под отработанной частью лавы. Кроме того, при таком размере целика не формируется удароопасность пласта при ведении очистных работ. Дальнейшая отработка лавы 26-31 подтвердила правильность выводов.
Таким образом, методом наведенных электромагнитных полей ВНИМИ при зондировании угольных целиков через наработанные критерии по показателю напряженности пласта F достаточно убедительно оценивается степень устойчивости целиков различного назначения. Метод рекомендуется для внедрения на шахтах. Существенным преимуществом метода является его оперативность и объективность получаемых данных.
Результатами регламентированных наблюдений (геофизического зондирования) являются карты распределени параметров F в угольном массиве или массиве пород кровли, построенные с помощью программ автоматизированной обработки информации. На основе этих карт проводится оценка геодинамических проявлений в угольном пласте (как элемента геомеханического состояния массива).
Одновременно карты распределений параметров F в угольном массиве используются для прогнозных расчетов геомеханического состояния массива горных пород на выемочном участке. Эти возможности появились на основе методологии экспериментально-аналитического подхода и методов экспериментально-аналитического определения гео-механического состояния массива горных пород при отработке угольного пласта [1].
Разработана новая методология экспериментальноаналитического подхода в построении информационной геомеханической мониторинговой системы (ГмМС) для моделирования геомеханических процессов при отработке угольных пластов. Такой подход синтезирует эксперимен-
тальные (шахтные) измерения проявлений горного давления в отдельных точках, методы численного моделирования процессов по границе пород с выработанным пространством и пластом и аналитические расчеты пространственного напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Используя эту методологию разработан новый метод горной геомеханики - метод компьютерного экспериментально-аналитического моделирования геомеханического состояния массива горных пород при отработке угольного пласта.
Метод, алгоритмы и программы расчетов позволяют отобразить пространственную расчетную схему задачи для любой технологической схемы отработки и динамику развития очистных работ с помощью элементов подвиганий забоя и фронта работ; автоматизировать как построение расчетной схемы задачи, так и расчет пространственного напряженно-деформированного состояния массива горных пород и обработку результатов расчета; визуально представить с помощью стандартных программ машинной графики полученные результаты в виде пространственных картин, карт изолиний и эпюр поверхностей смещений и напряжений, временных графиков изменений смещений и напряжений в процессе отработки пласта.
Горно-геологические и горнотехнические условия в выемочном поле угольного пласта неодинаковы. Часто встречаются выемочные поля в пределах которых изменяется мощность и угол падения пласта, некоторые участки пласта могут иметь геологические нарушения. Выемочное поле пласта может находиться в сложной горно-технической обстановке: подработке или надработке, наличии соседних отработанных участков или этажей, системы подготовительных выработок и т.д. Имеются две возможности отобразить и использовать в расчетах параметры «первоначального», до проведения очистных горных работ, состояния угольного массива.
Первый способ, который можно определить как аналитический, расчетный, состоит в следующем.
Имеющиеся различия в горно-геологических и горнотехнических условиях отдельных участков выемочного поля предопределяют неодинаковые проявления горного давления при проведении очистных работ и, в частности, величины смещений боковых пород. Поэтому производится оценка влияния этих факторов на проявления горного давления [1]. Эта оценка заключается как в назначении, так и в совокупном количественном выражении по площади выемочного поля пласта, коэффициентов влияния на проявления горного давления горно-геологических и горнотехнических факторов.
Карта горно-геологических условий и горнотехнической обстановки в выемочном поле пласта, проектируемого к отработке, составляется на основе геологических и маркшейдерских документов на этот пласт. На карте представляется конфигурация выемочного поля, приводятся глубина от поверхности, мощность и угол падения пласта, наносятся локальные области изменений мощности, система подготовительных выработок, геологические нарушения (с указанием амплитуды смещений), отработанные участки (с указанием времени и системы отработки), проекции целиков в под- или надработанных пластах (с указанием размеров междупластий).
На основании перечня факторов и их характеристик (ко-орди-нат расположения факторов, параметры протяженно-
Рис. 2. Карта параметров F напряженности и трещиноватости угольного массива между вентиляционными, конвейерными и путевым стволами пласта 52 на шахте № 7 (АО ИК «Соколовская»)
сти зон влияния и коэффициенты максимального влияния) рассчитываются функции влияния к(х,у) горногеологических и горнотехнических факторов на ПГД. Расчет функции влияния к(х,у) производится с заданным шагом в прямоугольной сетке на выемочном поле пласта. Результаты расчетов функции влияния представляются в двух видах: численной и графической форме. Численная форма выдачи результатов используется для дальнейших расчетов и представляет собой массив значений функции влияния в точках по площади выемочного поля.
Графическая форма выдачи осуществляется по рассчитанным значениям функции влияния в точках площади выемочного поля с помощью программы автоматизированной обработки. Программа позволяет получать карту коэффициентов влияния факторов в выемочном поле пласта. Карта коэффициентов к(х,у) влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на ПГД изображает области в выемочном поле пласта с различными значениями функции влияния.
Второй способ для учета «первоначального» состояния угольного массива состоит в использовании картин параметров F, измеренных геофизическими методами, как карту коэффициентов к(х,у) влияния горно-геологических и горнотехнических факторов.
На рис. 2 показана карта параметров F напряженности и трещиноватости угольного массива между вентиляционным, конвейерным и путевым стволами пласта 52 на шахте № 7 АО «Соколовская». Карта получена автоматизированной обработкой результатов геофизического зондирования угольного массива в стволах по сечениям, на каждой из которых было 41 или 53 пункта зондирования при измерениях параметров F через один метр на глубину зондирования 15 метров. Эта карта параметров F использовалась как карта коэффициентов к(х,у) влияния горно-геологических факторов в прогнозных расчетах деформационного состояния пород кровли при отработке пласта 52, в случае погашения целиков между стволами для исключения формирования зон повышенных проявлений горного давления на соседние пласты свиты. Фрагмент результатов расчетов приводится на рис. 3.
Моделировались смещения кровли при отработке участка пласта 30х120 метров между конвейерным и путевым стволами (рис. 3а). Расчетным путем получены поверхности смещений ^Хх,у) пород кровли над выработанным пространством и угольным массивом. Сравнение расчетов, выполненных без учета (рис.3,б) и с учетом (рис. 3,в) карты коэффициентов к(х,у) влияния (параметров F) показывает, что различия в максимальных смещениях кровли могут быть значительными (в приводимом примере составляют, более чем в 2 раза). Учет особенно-
стей строения и состояния угольного массива, определяемого геофизическим зондированием существенно, повышает информативность расчетов геомеханической обстановки при отработке пласта.
Впервые методологически удалось осуществить триединство геомеханического мониторинга: регламентированные наблюдения, оценка и прогноз геомеханиче-ского состояния массива горных пород. Регламентированные наблюдения осуществлены путем измерений параметров геомеханического состояния - параметра F, геофизическим методом зондирования массива. Оценка состояния массива осуществлена путем построения карты параметров F и определения, на основании критериев, зон удароопасности и трещиноватости в угольном массиве. Прогноз геомеханического состояния осуществлен экспериментально-аналитическим методом, путем использования карты параметров F, состояния угольного массива при аналитическом расчете напряженно-деформированного состояния массива пород кровли на различных этапах отработки участка.
УГОЛЬНЫЙ МАССИВ ПЛАСТА 52
11 14 17 20 23 26 29
конвейерный ствол П У Н К Т Ы З О Н Д И Р О В А Н И Я
ЗОНА ТРЕЩИНОВАТОСТИ 8 1'1 14 17 2'о 2'з 26 2*9 3*2 35 38
пУтев°й ствол П У Н К Т Ы З О Н д и р о в а н и я
угольный МАССИВ ПЛАСТА 52
F
0.20
0.12
0
0
260 м
0
Динамическое компьютерное моделирования геомеха-нических процессов в информационной мониторинговой системе угольной шахты предназначено для расчетов гео-механической обстановки на выемочных участках как в
Рис. 3. Прогнозные смещения кровли при отработке пласта 52. (а - схема подготовительных, очистной выработок и области расчета (штрих-пунктирная линия); б, в - смещения, рассчитанные без учета и с учетом результатов геофизического зондирования)
процессе планирования и подготовки, так и при ведении горных работ, т.е. осуществлять долгосрочное прогнозирование, оперативный контроль и краткосрочный прогноз проявлений горного давления. Такая мониторинговая система может использоваться как базовая часть системы принятия научно обоснованных технических и технологических решений при отработке пласта.
ВЫВОДЫ:
1. Впервые в Кузбассе получены шахтными геофизическими измерениями карты состояния массива для различных горно-геологических условий и горнотехнической обстановки выемочных участков.
2. Результаты измерений позволяют получать различные технические и технологические решения, имеющие практическое значение. Так, геофизические измерения характеризуют степень удароопасности и позволяет определить опасные по горным ударам зоны угольного пласта. Зондированием массива горных пород в окрестности подготовительных выработок определяется степень нарушенно-сти массива в результате проведения и эксплуатации выработки.
3. Карты состояний массива впервые получены в цифровом виде используются для расчетов геомеханической обстановки на конкретном выемочном участке. В разработанном методе расчета смещений пород и экспериментальноаналитическом определении напряжений массива, карты геофизических измерений используются как карты коэффициентов к(х,у) влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на ПГД.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Власенко Б.В, Разработка методов прогнозирования проявлений горного давления для геомеханического мониторинга на угольных шахтах Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук.. Кемерово. ИУ СО РАН. - 39 с.
2. Методические указания по сейс-моакустическим и электромагнитным методам получения критериев степени ударо-опаности. - Л.: ВНИМИ, 1986. - 32 с.
3. Временные указания по оценке трещиноватости угля геофизическими ме-
тодами. Кемерово: Представительство
ВНИМИ, 1997. - 15 с.
4. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам. - Л.: ВНИМИ, 1988. - 85 с
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------------------------------------------------------------------------------------
Власенко Борис Васильевич — доктор технических наук, профессор, Институт угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук, г. Кемерово.
Лазаревич Тамара Ивановна - кандидат технических наук, Кемеровское Представительство Федерального государствен-ного унитарного предприятия «Государственный научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ», г. Кемерово.
