Прогнозирование горных ударов при отработке склонных к газодинамическим явлениям угольных пластов

Кулак Виталий Юрьевич; Черепов Андрей Александрович; Ширяев Сергей Николаевич

w 622.83: В.Ю. Кулак, А.А. Черепов, С.Н. Ширяев

622.016.62

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ГОРНЫХ УДАРОВ ПРИ ОТРАБОТКЕ СКЛОННЫХ К ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ ЯВЛЕНИЯМ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Разработана методика прогнозирования вероятности возникновения газодинамических явлений по результатам когнитивного моделирования процессов формирования опасных производственных ситуаций при совокупном влиянии следующих факторов и параметров: обрушаемости пород кровли, коэффициента интенсивности разрушения угля, отношение максимальных напряжений к пределу прочности угля при сжатии, геотектонической нарушен-ности геомассива, уровня сейсмичности района угледобычи, параметры угольных целиков, зон повышенного горного давления, системы разработки. Установлено индивидуальное и интегральное влияние каждого фактора на вероятность возникновения горного удара. При максимальном негативном проявлении всех факторов вероятность горного удара принята максимальной, а после проведения основных профилактических мероприятий, регламентированных действующими нормативными документами, снижается в 17,7 раза.

Ключевые слова: газодинамические явления, угледобыча, горный удар, моделирование, методика прогнозирования.

Несмотря на реализацию на угольных шахтах, отрабатывающих склонные к горным ударам угольные пласты, комплекса мероприятий, регламентированных действующими нормативными документами, интенсивность и уровень опасности газодинамических явлений не снижается. Анализ результатов проведения мероприятий по предотвращению газодинамических явлений на действующих шахтах России показал [2], что рекомендуемые в Инструкции [1] способы и средства разгрузки геомассива, искусственного снижения концентрации потенциальной энергии, изменения прочностных и деформационных свойств угля и пород, организационные механизмы управления горными работами не всегда исключают опасные производственные ситуации.

Относительно благоприятное состояние горного производства на шахтах достигается выборочной отработкой участков угольных пластов по традиционным технологиям. По сведениям [4] в пределах горных отводов шахт добывается длинными комплексно-механизированными забоями только каждая третья тонна балансовых запасов угля. Остальные запасы предполагается извлекать по нетрадиционным технологиям в будущие периоды.

Однако, возможность отработки остаточных запасов по нетрадиционным технологиям на склонных к горным ударам угольных пластах весьма ограничена. Например, в Инструкции [1] запрещено применение на склонных к горным ударам угольных пластах камерных и камерно-столбовых систем разработки, хотя они распространены на зарубежных шахтах [2].

С целью оценки возможности применения короткозабой-ных систем разработки на действующих шахтах обоснована методика оценки вероятности возникновения горных ударов с учетом совокупного влияния множества факторов и индикаторов, являющихся предвестниками динамических явлений.

Методика предназначена для предварительной оценки на этапе разработки проектной документации вероятности опасных производственных ситуаций.

Основные положения методики базируются на использовании многолетнего производственного горного опыта специалистов шахты, по рекомендациям которых в соответствии с требованиями нормативных документов, технический руководитель предприятия принимает окончательное решение.

На этапе обоснования такого решения предлагается провести экспертную оценку реальной ситуации в различные периоды развития горных работ. При экспертной оценке необходимо учитывать стохастический характер распределения упругих свойств горных пород, наличие непрогнозируемых геологических нарушений, природную и техногенную блочную структуру геомассива, сейсмическую активность геологической среды, пространственно-временное расположение угольных целиков, площадей зависающих подработанных пород кровли над выработанным пространством, внешние воздействия в виде массовых взрывов на соседних предприятиях. Для моделирования поведения таких сложных систем предлагается использовать метод когнитивного моделирования [3].

В соответствии с когнитивным подходом осуществляется интеграция знаний и опыта специалистов шахты с целью представ-

Рис. 1. Граф когнитивной карты для моделирования вероятности возникновения горных ударов на угольных шахтах

ления проблемной ситуации в виде формальной модели. В качестве основы такой модели предлагается когнитивная карта ситуации, которая синтезирует известные специалистам-экспертам основные законы и закономерности возникновения горного удара в виде ориентированного знакового или взвешенного графа (рис. 1).

На графе вершинами являются факторы, то есть концепты, признаки и индикаторы горных ударов, внешние воздействия, динамика горных работ и другие качественные и количественные параметры. Дуги между вершинами указывают на причинно-следственные связи соседних факторов (табл. 1). Каждая дуга в этом графе представляет некую функциональную зависимость воздействия фактора-причины на фактор-следствие. В отличие от традиционных вариантов построения когнитивной карты с детерминированными значениями концептов и связей между ними

предлагается схема построения множества вариантов связей. Каждый вариант связи используется для выбора направления развития системы при управлении процессами профилактики горных ударов. В этом случае когнитивная модель развивающейся во времени и пространстве горного отвода горнотехнической ситуации представляется функциональным графом, в котором по заданным экспертами параметрам устанавливается функциональная зависимость между соответствующими базисными факторами.

По многофункциональному графу возможно прогнозирование вероятности возникновения горных ударов посредством решения статических и динамических задач. При статическом анализе текущей ситуации осуществляется исследование влияний одних факторов на другие, оценка устойчивости ситуации в целом и поиск управляющих решений для предупреждения горных ударов.

При динамическом анализе осуществляется генерация возможных сценариев развития горнотехнической и геомеханической ситуации с учетом времени и пространственного положения горных выработок. Для когнитивного моделирования вероятности возникновения горного удара на угольных шахтах приняты концепты, приведенные в табл. 1.

Функциональные зависимости между концептами в виде кортежей приняты в табл. 1 по результатам статистической обработки множества экспертных оценок, представленных специалистами угольных шахт ПАО «Распадская».

Базой для когнитивного моделирования является матрица смежности, в которой диагональные элементы включают варианты значений концептов, а остальные — веса связей между вершинами графа (табл. 2).

Для моделирования сценариев развития опасной производственной ситуации разработана компьютерная программа по алгоритму, приведенному в [3].

Результаты прогноза вероятности возникновения горных ударов представлены на рис. 2. В качестве базового варианта приняты горно-геологические и горнотехнические условия, в которых отсутствуют признаки, способствующие возникновению горных ударов. К таким условиям отнесены: легко обрушающаяся кровля; уголь деформируется пластически без накопления упругой энергии; отношение максимальных напряжений к пределу прочности угля при сжатии не превышает 0,3; тектоническая нарушенность геомассива отсутствует; сейсмичность района

Таблица 1

Концепты, варианты факторов и параметров, влияющих на вероятность горных ударов на угольных шахтах

Номер вершины графа и наименование концепта Вероятность динамических явлений при вариантах концепта

минимальная средняя максимальная

1. Обрушаемость пород основной кровли, кортеж С1 = <0; 0,5; 1> 0 — легко обрушающаяся 0,5 — средне обрушающаяся 1 — трудно обруша-ющаяся

2. Коэффициент интенсивности разрушения угля [1], кортеж С2 = <0; 0,5; 1> 0 — пластическое деформирование 0,9 — пласт склонный к горным ударам 1 — идеально хрупкое разрушение, горный удар

3. Отношение максимальных напряжений к пределу прочности угля при сжатии, кортеж С3 = <0,3; 0,9; 1> 0,3 — уголь или порода не разрушены 0,9 — предельное состояние угля и пород 1 — разрушение угля и пород

4. Тектоническая нарушенность геомассива, кортеж С4 = <0,1; 0,6; 0,9> 0,1 — пликатив-ные нарушения, вне зоны влияния дизъюнкти-вов 0,6 — пликативные нарушения, в зоне влияния дизъюнктивов 0,9 — в зоне влияния дизъюнк-тивов

5. Сейсмическая активность в угольном бассейне, С5 = <0,1; 0,5; 0,5> 0,1 — сейсмичность до 3 баллов, в том числе техногенная 0,5 — сейсмичность 3—6 баллов, в том числе техногенная 0,5 — сейсмичность более 6 баллов

6. Параметры угольных целиков [1], С6 = <0,2; 0,5; 1> 0,2 — ширина целика /ц* > 0,5Г 0,5 — ширина целика 0,1/ < / < 0,5/ ' ц ' 1 — ширина целика / < 0,1/ ц

7. Зона повышенного горного давления (ЗПГД) [1], С7 = <0; 0,7; 1> 0 - ЗПГД отсутствует 0,7 — ЗПГД целика «штампа» 1 — ЗПГД краевой части пласта

8. Система разработки, С8 = <0,3; 0,5; 1> 0,3 - ДСО 0,5 — комбинированная 1 — КСО

9. Сила и характер проявления горного удара, С9 = <0,3; 0,8; 1> 0,3 — микроудар, стреляние массива 0,8 — горный удар в виде толчка, отброса или выдавливания угля (породы) в горные выработки с нарушением технологического процесса 1 — горно-тектонический удар, горный удар с разрушением пород почвы

В таблице приняты следующие обозначения: 1 — ширина целика, м; 1 — ширина зоны опорного давления, м; КСО — системы разработки с короткими забоями; ДСО — системы разработки с длинными забоями.

Таблица 2

Матрица смежности

1* 2 3 4 5 6 7 8 9

1* 0 0,5 1 0,2 0,5 1 0,2 0,6 1 0 0,7 1 0,3 0,6 1

2 0 0,9 1 0,2 0,5 1

3 0,3 0,8 1 0,3 0,8 1

4 0,1 0,6 0,9 0,3 0,6 1

5 0,1 0,5 1 0,3 0,5 1

6 0,2 0,5 1 0,2 0,5 1

7 0 0,7 1 0,1 0,7 1

8 0,3 0,5 1 0,2 0,5 1

9 0,3 0,8 1

1" в верхней строке и левом столбце указаны номера вершин графа на рис. 1.

Рис. 2. Динамика увеличения вероятности горных ударов при последовательном накоплении влияния негативных факторов

угледобычи до 3 баллов; ширина угольных целиков больше зоны опорного горного давления; зона повышенного горного давления под влиянием угольных целиков на сближенных пластах отсутствует; система разработки — длинные столбы с полным обрушением пород кровли. Для этих условий вероятность возникновения горного удара условно принята равной единице.

Из графиков рис. 2 следует, что при последовательном накоплении негативного влияния максимальных значений факторов вероятность горного удара существенно увеличивается. Наибольший вклад в вероятность возникновения опасной производственной ситуации вносят трудно обрушающаяся кровля (14%); коэффициент интенсивности разрушения угля (16%); ширина угольного целика меньше зоны опорного горного давления (19%). При одновременном проявлении всех негативных факторов вероятность горного удара увеличивается до максимальной.

Результаты моделирования подтверждают, что на стадии разработки проектной документации можно прогнозировать вероятность возникновения горных ударов, как при совокупном, так и индивидуальном влиянии горно-геологических и горнотехнических факторов и параметров.

Разработанное программное обеспечение позволяет прогнозировать влияние регламентированных нормативными документами мероприятий. Результаты такого моделирования представлены на рис. 3, из которого следует, что проведение комплексных мероприятий, включающих стратификацию пород кровли, изменение структуры угольного массива воздействием флюидов,

д. 1,0

£ 0,9

£ 0,8

I 0,7

§■ 0,6

; о,5

5 0,4

I 0,3

Ё 0,2

а ОД

^ 0,0

1,00

0,65

1 0,56

■ 0,4/

■

0,04

го 3" § ° 5 го ? £ 5

х га £ сп I ^ I > го

« ¥ I & и с Я-1

И ^ I I □ Ч. я ^

и -й- Я! ш _ ш *

« ТГ Г-Г ш т- ^ т т л

Рис. 3. Динамика снижения вероятности горных ударов при последовательном проведении профилактических мероприятий

проведение разгрузки угольного массива системой скважин позволяет снизить вероятность горного удара почти в два раза. Однако полностью исключить горный удар при совокупном влиянии негативных факторов и после проведения всех мероприятий не представляется возможным.

Разработанная методика прогнозирования горных ударов при отработке склонных к газодинамическим явлениям угольных пластов рекомендуется для практического применения на стадии разработки проектной документации с целью выбора технологии подготовки и отработки выемочных столбов и мероприятий по предотвращению горных ударов на угольных шахтах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам. РД 05-328-99: Нормативные документы по безопасности, надзорной и разрешительной деятельности в угольной промышленности [Электронный ресурс]. — М.: Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2004. Режим доступа: http://ohranatruda.ru/ot_biblio/normativ/data_normativ/49/49308/ (дата обращения 21.12.2016).

2. Артемьев В. Б., Коршунов Г. И., Логинов А. К., Шик В. М. Динамические формы проявлений горного давления. — СПб.: Наука, 2009. — 347 с.

3. Силов В. Б. Принятие стратегических решений в нечеткой обстановке. - М.: ИНПРО-РЕС, 1995. - 228 с.

4. Шаклеин С.В., Писарева М.В. Подходы к обоснованию концепции развития минерально-сырьевой базы Кузнецкого угольного бассейна // Рациональное освоение недр. — 2013. — № 2. — С. 38-40.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Кулак Виталий Юрьевич — генеральный директор,

ЗАО «Промуглепроект», e-mail: Vitaly.Kulak@evraz.com,

Черепов Андрей Александрович — технический директор,

АО «Распадская угольная компания», e-mail: Andrey.Cherepov@evraz.com,

Ширяев Сергей Николаевич — технический директор,

АО «Распадская угольная компания», e-mail: Sergey.Shiryaev@evraz.com.

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 3, pp. 328-336. V.Yu. Kulak, A.A. Cherepov, S.N. Shiryaev PREDICTION OF ROCK BURSTS DURING EXCAVATION OF LIABLE TO GAS-DYNAMIC PHENOMENA COAL SEAMS

A method for predicting the likelihood of gas-dynamic phenomena on the results of cognitive modeling of processes of formation of hazardous production situations to the combined influence of the following factors and parameters: cavability of the roof rocks, the ratio of the intensity of the destruction of the coal, the ratio of the maximum stress to the ultimate strength of coal under compression, the geotectonic disturbed rock-mass, the level of seismic-ity of the area of coal mining, coal pillar parameters, areas of high rock pressure, development system. Identified individual and integrated effect of each factor on the probability of occurrence of rock burst. At maximum negative manifestation of all factors of the probability of rock burst increases in 37.5 times, and after taking all the preventive measures, regulated by existing regulatory documents, reduced to 17.7.

Key words: gas-dynamic events, coal mining, mining impact, modeling, forecasting technique.

AUTHORS

Kulak V.Yu., General Director, ZAO «Promugleproekt», 654007, Novokuznetsk, Russia, e-mail: Vitaly.Kulak@evraz.com, CherepovA.A., Technical Director, JSC «Raspadskaya Coal Company», 654007, Novokuznetsk, Russia, e-mail: Andrey.Cherepov@evraz.com, Shiryaev S.N., Deputy Technical Director, JSC «Raspadskaya Coal Company», 654007, Novokuznetsk, Russia, e-mail: Sergey.Shiryaev@evraz.com.

REFERENCES

1. Instruktsiyapo bezopasnomu vedeniyu gornykh rabot na shakhtakh, razrabatyvayush-chikh ugol'nyeplasty, sklonnye kgornym udaram. RD 05-328-99: Normativnye dokumentypo bezopasnosti, nadzornoy i razreshitel'noy deyatel'nosti v ugol'noy promyshlennosti (Instruction on safe conducting mountain works on mines developing coal seams liable to rock bursts. RD 05-328-99: Regulations for security, Supervisory and regulatory activities in the coal industry), Moscow, Nauchno-tekhnicheskiy tsentr po bezopasnosti v promyshlennosti Gosgortekhnadzora Rossii, 2004, available at: http://ohranatruda.ru/ot_biblio/ normativ/data_normativ/49/49308/ (accessed 21.12.2016).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2. Artem'ev V. B., Korshunov G. I., Loginov A. K., Shik V. M. Dinamicheskie formy proyavleniy gornogo davleniya (Dynamic forms of rock-pressure manifestations), Saint-Petersburg, Nauka, 2009, 347 p.

3. Silov V. B. Prinyatie strategicheskikh resheniy v nechetkoy obstanovke (Strategic decision making in a fuzzy environment), Moscow, INPRO-RES, 1995, 228 p.

4. Shaklein S. V., Pisareva M. V. Ratsional'noe osvoenie nedr. 2013, no 2, pp. 38—40.

UDC 622.83: 622.016.62

PREDICTION OF ROCK BURSTS DURING EXCAVATION OF LIABLE TO GAS-DYNAMIC PHENOMENA COAL SEAMS

Текст научной работы на тему «Прогнозирование горных ударов при отработке склонных к газодинамическим явлениям угольных пластов»