CC BY
88
ГОРНОЕ ДЕЛО
УДК [622/016/62:622/268/13 ]/013:005/521
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПО УПРАВЛЕНИЮ СОСТОЯНИЕМ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ И ОЧИСТНЫХ ВЫРАБОТОК НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
А.Б. Копылов, И.И. Савин, Э.М. Соколов, А.Е. Харламов
Произведен анализ прогнозирования изменчивости горно-геологических условий для обоснованного принятия адекватных технико-технологических решений по управлению состоянием подготовительных и очистных выработок на основе комплексной оценки горно-геологических условий угольных месторождений.
Ключевые слова: горно-геологические условия, угольный пласт, прогнозирование, геометрическое моделирование, равновесные состояния.
Требования угледобывающей промышленности к результатам геологической разведки месторождений и подготовке шахтных полей к сдаче в промышленное освоение постоянно возрастают в связи с усложнением горно-геологических условий, комплексной механизацией подготовительных и очистных горных работ, интенсификацией и концентрацией горного производства. Строительство и работа угледобывающих предприятий существенно зависит от объективности инженерных решений, принимаемых на основе имеющейся, обычно недостаточной, информации о геологических свойствах угольных пластов и вмещающих горных пород, определяющих горно-геологические условия добычи угля.
Результаты геологической разведки и их интерпретация в геологических отчетах обычно дают лишь самое общее представление о горногеологических условиях, достаточное для решения вопросов проектирования шахт и карьеров, но их оказывается недостаточно для обоснования параметров, обеспечивающих оптимальную реализацию технологического процесса добычи угля. Требуется разработка методов прогнозирования горно-геологических условий на основе углубленного анализа геологоразведочной информации, установления и использования геологических закономерностей. Все это неизбежно связано с оперативной обработкой имеющихся и поступающих в процессе разработки пластов данных и предусматривает использование современной вычислительной техники.
264
Сложность и изменчивость горно-геологических условий определяются гипсометрическим положением угольных залежей, существенной изменчивостью мощности угольного пласта и его нарушенностью карстовыми процессами, зольностью угля, сложным и изменчивым как по простиранию, так и по мощности литологическим составом вмещающих пород, значительной обводненностью месторождений. Суммарное воздействие всех этих факторов определяет реальную производительность очистных забоев, модель которой может быть представлена изменчивой поверхностью, являющейся производной горно-геологических параметров разработки угольных пластов.
Г орно-геологические характеристики угольных месторождений приобретают дополнительные преимущества, когда вместо описательной формы представления они выражаются количественными показателями, а в лучшем случае математическими или геометрическими моделями.
В настоящее время определилась общая схема решения задачи прогнозирования горно-геологических условий по данным разведки, основанная на использовании геологических закономерностей пространственного изменения свойств угольных пластов и вмещающих горных пород. Прогнозируемые свойства и их характеристики устанавливаются по эмпирическим зависимостям, полученным на основе исследований природной изменчивости свойств угольных месторождений на действующих шахтах и отработанных участках.
Прогнозирование эффективности добычи угля на шахте в форме нагрузок на очистные забои (НОЗ) основывается на математическом и геометрическом моделировании свойств угольных месторождений, контролирующих процессы современной механизированной отработки угольного пласта, в первую очередь таких, как мощность, зольность, гипсометрия, обводненность, строение пласта, условия его залегания, литологический состав почвы и кровли и т.п.
Каждое из свойств угольного пласта и вмещающих пород характеризуется пространственной изменчивостью параметров, которую необходимо выразить в количественной форме. Для этого использовались статистико-вероятностные методы, правомерность применения которых обоснована проверкой гипотез о случайности изменчивости геологических переменных методами анализа дихотомических последовательностей, предложенными в [1].
В качестве исходных моделей анализа изменчивости геологических переменных использовались частные реализации их действительных топо-функций, построенные по ограниченной геологоразведочной информации [2].
Морфологическая изменчивость геологических переменных определяется, как минимум, двумя показателями - вариативностью значений признака относительно среднего уровня - амплитудная изменчивость и ко-
личеством перехода через среднее на единице длины сечения - частотная изменчивость.
В условиях, когда частная реализация топофункций построена по данным геологической разведки, частотная изменчивость не выявляется, а амплитудные изменения геологической переменной представляют собой выборку из возможной генеральной совокупности.
Анализ многочисленных фактических материалов показывает, что однородные блоки, выделенные по мощности угольного пласта пространственно, на 75-80 % совпадают с блоками по зольности и гипсометрии, что свидетельствует о генетической корреляции этих свойств угольного пласта.
При использовании плотной или площадной выборки для одной и той же модели количество элементов выборки может быть увеличено до бесконечности. Но веса интерполяционных значений по вероятности ниже весов значений переменной, измеренных непосредственно в скважинах. Поэтому точность оценок статистических показателей проверялась экспериментально по данным многовариантных площадных выборок одной модели топофункции и различных по изменчивости блоков.
Современная горная технология и уровень механизации процесса добычи угля обеспечивают эффективное проектирование разработки угольных месторождений в различных горно-геологических условиях. Минимальная себестоимость, полнота извлечения и высокое качество добываемого угля достигаются в тех случаях, когда принятые горнотехнические параметры соответствуют горно-геологическим условиям разработки. Однако обеспечить такое соответствие не всегда удается, так как исходные данные для проектирования горной технологии представляются в геологических отчетах и других предпроектных документах в усредненном виде, недостаточном для оптимального проектирования. Путь повышения информативности исходной геологоразведочной документации состоит в замене преимущественно описательных характеристик свойств угольных месторождений их количественным представлением в форме показателей изменчивости, математических и цифровых моделей и т.п.
Большинство из имеющихся в литературе способов выражения изменчивости проанализировано с точки зрения объективности и возможности использования в предпроектной обработке геологоразведочной информации применительно к условиям угольных месторождений на основе данных их разработки. Результаты этих исследований изложены в работе [2], где отмечено, что на основе исходной информации, количество которой не превышает уровня, соответствующего изучению месторождений на стадии геологической разведки, может быть использовано ограниченное число способов количественного описания изменчивости пространственных геологических переменных.
Задача повышения информативности результатов геологической
разведки не ограничивается лишь количественной характеристикой изменчивости свойств угольных месторождений. Она должна содержать и другие процедуры обработки данных определенной логической последовательности, составляющей законченный методический алгоритм.
Производится аналитическая статистическая обработка структурных горно-геологических планов в границах выделенных блоков для оценки и прогнозирования внутриблоковой изменчивости геологических признаков. Для этого используется специальная адаптированная к пространственным геологическим переменным методика организации и проведения статистического анализа внутриблоковых геометрических моделей. В результате по каждому блоку и по каждой геологической переменной получают значения показателей изменчивости, которые используются для выбора и обоснования горнотехнических параметров горной технологии.
В связи с разнообразием горно-геологических условий, контролирующую роль в образовании горно-геологических условий имеют разные геологические свойства месторождений. Поэтому необходимо ориентироваться на такие свойства, которые определяют сложность отработки угольных пластов и учитывать их с большим весом в интегральной характеристике горно-геологических условий - прогнозной нагрузке на очистной забой.
Часто предполагаемые морфологические структуры необходимо дополнительно разведать для уточнения их положения и формы. Обычно рядовые исполнители вовлекают в интерполяцию случайные диагональные промежутки, что вызывает неопределенность геометризации. В таком случае возможны совершенно противоположные результаты. В одном случае геометризации морфологический элемент получается положительным, во втором - отрицательным. Для обоснованного выбора диагонального промежутка невозможно использовать дополнительную информацию в окрестностях элементарной ячейки, так как в условиях частной реализации морфологические элементы действительной топофункции не прослеживаются в связи с тем, что их размеры меньше расстояний между скважинами. Поэтому интерполяция по любой диагонали вносит дезинформацию в морфологическую характеристику топофункции и необходимо минимизировать возможные искажения частной реализации.
Оптимизирующим критерием геометрического моделирования в условиях ограниченной геологоразведочной информации следует принять идею сплайновой функции, которая выражает наиболее гладкую поверхность, опирающуюся на интерполяционные точки.
Использование математического выражения поверхности геологической переменной в пределах элементарной ячейки необходимо для случая автоматизированной обработки в составе САПР-уголь в форме кусочно-непрерывной математической модели.
При обычном «ручном» моделировании построение линейчатой по-
верхности вида производится на основе линейной интерполяции только по сторонам квадрата или близкой к нему геометрической фигуры элементарной ячейки. На рис.1, г такая линейчатая поверхность представлена в изолиниях.
3,2
1,4 3,2
1,4
в)
г)
1,8
2,7
Рис. 1. Геометризация признака в пределах квадратной элементарной ячейки
В процессе геологической разведки моноклинальных тектонических структур расстояния между скважинами в направлении по падению угленосных отложений принимаются обычно меньшими по сравнению с расстояниями по простиранию. Такая система традиционно сложилась в Донецком и Кузнецком бассейнах из предложения о необходимости равномерного геологического изучения свойств угольных месторождений в моноклинальных структуру, где условия залегания с большим градиентом изменяются по падению пластов.
На рис. 2 приведена типичная схема размещения зондировочных скважин в выемочном столбе. Геометризация по данным зондировочного бурения содержит значительные искажения морфологии, несмотря на высокую плотность замеров по нарезным штрекам и в оконтуровке. Эти искажения, как правило, проявляются в искусственном вытягивании морфологических элементов в поперечном направлении.
Для повышения достоверности геометризации действительной то-пофункции и более полного использования исходной информации зондировочного бурения предлагается метод пространственной интерполяции.
Метод пространственной интерполяции возможно использовать только с применением ЭВМ. Таким образом, специальная геометризация в проекции на тренд является источником дополнительной информации о свойствах геологической переменной.
1,2 0,8 0,9 1 ,2 1 ,4 1,95 2,2 2 ,6 2 ,4 2,35 2,3 2,45 2,4 3, 1 3 ,7 3,0
2.7
2.3
1.7
1.3
1,9
Рис. 2. Действительная топофункция мощности и ее геометризация по данным зондировочного бурения с применением линейной (б) и пространственной интерполяции (в)
Общими недостатками отмеченных исследований являлся также неполноценный учет технологических и физико-механических характери-
269
стик вмещающих пород, влияющих на выбор механизированного комплекса для конкретных горно-геологических условий, а даваемая прогнозная оценка динамики их изменения не позволяла в полной мере адаптировать технико-технологические характеристики механизированных комплексов к геометрическим характеристикам пласта, что в настоящее время, в связи с увеличением длины очистных забоев и размеров выемочных столбов, является особенно важным. Недостатком этих исследований являлось то, что они были адаптированы к локальным участкам угольного пласта при рассмотрении положения только одной секции крепи, т.е. задачи сводились к плоской постановке. Между тем, вследствие нерегулярной и разнонаправленной волнистости залегания пласта, практически все секции комплекса оказываются работающими в различных условиях. Отсюда существующие модели были сориентированы только на «среднестатистические» характеристики пласта. Для принятия рациональных технико-технологических решений по ведению горных работ необходимо иметь объективное представление о физико-механических, технологических и горногеометрических характеристиках массива горных пород. Особенно важным при этом является учет их изменчивости в пределах шахтного поля или его участка. Это предопределяет необходимость использования теоретических методов, направленных на автоматизацию задач комплексной оценки горно-геологических условий залегания угольных пластов, прогнозирования условий ведения и проектирования подготовительных и очистных работ.
Стабильность показателей работы очистного забоя в немалой степени зависит от сохранения проектного пространственного положения всего механизированного комплекса. В связи с этим возникает задача оперативного контроля состояния секций, что требует создания метода автоматизированной обработки информации, полученной по результатам наблюдений в очистных забоях, в результате чего может осуществляться корректировка траекторий движения секций комплекса.
В настоящее время можно считать установленным и научно обоснованным положение о том, что технико-экономические показатели проведения и поддержания подготовительных выработок зависят от случайных факторов, в результате чего нарушается ритмичность ведения горноподготовительных работ. В связи с этим необходимы новые подходы к разработке расчетных моделей, позволяющих получить статистический ряд значений месячной проходки штреков, как непрерывной случайной величины для заданных условий проведения, что позволит выбирать рациональные параметры технологии проведения выработок на основе сравнения технико-экономических показателей.
Анализ методов прогнозирования условий и проектирования параметров горных работ показал, что использование принятых предположений о механизме геомеханических процессов вокруг выработок, взаимо-
действии пород с горными крепями и проектировании очистных и подготовительных работ наталкивается на серьезные трудности. Сложность принятия адекватных технико-технологических решений усугубляется недостаточным учетом изменчивости горно-геометрических и технологических характеристик угольного пласта и вмещающих пород, так как вся объективная горно-геологическая информация сосредотачивается только вокруг разведочных скважин.
Таким образом, необходимы дополнительные исследования, направленные на автоматизацию задач комплексной оценки горногеологических условий залегания угольных пластов, прогнозирования условий ведения и проектирования подготовительных и очистных работ. Вариант оперативного контроля пространственного положения механизированных комплексов и метод обработки получаемой информации, позволят по данным оперативной оценки и анализа положения секций крепи и конвейера, углов их взаимных поворотов и искривления в двух плоскостях по длине лавы принимать адекватные технико-технологические решения по управлению состоянием очистного комплекса в соответствии с проектными показателями.
Необходимо отметить, что уравнения равновесных состояний массива, ослабленного выработкой, отражающие связь между смещениями пород и реакциями крепи. При этом в общем случае данная связь выражается показательной функцией экспоненциального вида, а входящие в нее коэффициенты являются функциями влияющих факторов [3].
Список литературы
1. Серегин Ю.И. Разведочная геостатика. В кн: Геология и разведка угольных месторождений. Тула, ТПИ, 1976. С. 14-31.
2. Методика геологического обоснования при проектировании горнотехнологического комплекса средствами САПР-уголь. Отчет НИР №85333/ ТулПИ. Тула, 1985. 113 с.
3. Копылов А.Б. Обоснование параметров крепления подготовительных и очистных выработок на основе комплексной оценки горногеологических условий угольных месторождений: дис. /д-ра техн. наук. Тульск. гос. Университет, Тула, 2006
Копылов Андрей Борисович, д-р техн. наук, проф., Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Савин Игорь Ильич, д-р техн. наук, проф., Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Соколов Эдуард Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Харламов Александр Евгеньевич канд. техн. наук, доц., Россия, Тула, Тульский государственный университет
RATIONALE OF TECHNICAL AND TECHNOLOGICAL PARAMETERS FOR MANAGING THE STATE OF PREPARATORY AND TREATMENT WORKS BASED ON A COMPLEX ASSESSMENT OF GEOLOGICAL CONDITIONS
A.B. Kopylov, I.I. Savin, E.M. Sokolov, A.E. Kharlamov
The analysis predicting variability of geological conditions for an argumented choise of technical and technological solutions for management of the condition of treatment and preparatory workings based on a complex assessment of geological conditions of coal deposits.
Key words: mining and geological conditions, coal seam, prediction of, geometric modeling, equilibrium states.
Kopylov Andrey Borisovich, doctor of technical science, professor, toolart@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Savin Igor Iljich, doctor of technical science, professor, toolart@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sokolov Eduard Mikhailovich, doctor of technical science, professor, manager of department, Russia, Tula, Tula State University,
Kharlamov Alexandr Evgenevich, candidate of technical science, docent, Russia, Tula, Tula State University
УДК 622.283.4
РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МНОГОСЛОЙНОЙ ОБДЕЛКИ КОЛЛЕКТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ ПО
РЕЗУЛЬТАТАМ МОНИТОРИНГА
Н.С. Булычев, С.И. Копылов, А.Б. Копылов, И.М. Лавит
В данной статье рассматривается подход к определению величин напряжений и деформаций в многослойной обделки тоннелей по результатам проведенных натурных измерений с целью оценки остаточной несущей способности обделки тоннеля.
Ключевые слова: тоннели, мониторинг, напряженно - деформированное состоянии, обделка, несущая способность.
Коллекторные тоннели является необходимым атрибутом современного города. Во многих городах эксплуатационная надежность действующих коллекторных тоннелей крайне низка.
