Оценка геомеханического состояния массива горных пород при отработке угольного пласта на выемочном участке

ных пластов и, возможно, пород, насыщенных метаном.

Создаваемая модель обладает еще одной особенностью. Атрибутивная информация, используемая для ее описания, заключена в динамическом масштабируемом банке данных (знаний), сформированном по объектноориентированной методологии. Это позволило сделать его открытой системой, постоянно накапливающей данные и знания, а также методы их обработки по мере эволюции ме-

сторождения. Элементарные модели участков, после проверки степени их адекватности описываемым объектам в процессе моделирования уже прошедших периодов эволюции месторождения (с учетом техногенного воздействия), накапливаются в репозитории банка и используются в дальнейшем при создании композитных моделей крупных регионов месторождения - участков его перспективной отработки как газоугольного месторождения.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------------------

Шек Валерий Михайлович - профессор, доктор технических наук,

Петровичев Евгений Иванович - доцент,

Дранишников Петр Сергеевич - аспирант,

Кувашкина Татьяна Анатольевна - аспирант,

Харахан ОльгаГригорьевна - старший преподаватель,

Литвинов Александр Владимирович - магистрант,

Велесевич Сергей Владимирович - студент,

Соболева Марина Александровна - студентка, кафедра «Автоматизированные системы управления»,

Конкин Евгений Анатольевич - студент, кафедра «Технология механизации и организации подземной разработки руд»

Московский государственный горный университет.

--------------------------------------- © Б.В. Власенко, М.П. Макеев,

В.Н. Цыцаркин, 2004

УДК 622.831

Б.В. Власенко, М.П. Макеев, В.Н. Цыцаркин

ОЦЕНКА ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ОТРАБОТКЕ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА НА ВЫЕМОЧНОМ УЧАСТКЕ

Семинар № 10

ш Ш роблема геомеханического обоснова--Ж_Ж ния отработки конкретного угольного пласта в настоящее время может быть решена путем создания ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА (Гм-Монито-ринг, ГмМ) на угольной шахты, как комплексной системы регламентированных наблюдений, оценки и прогноза изменений геомеханического (Гм) состояния массива горных пород при разработке

полезного ископаемого с целью выявления опасных проявлений и выработки рекомендаций по управлению горным давлением [1].

ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ МОНИТОРИНГОВАЯ СИСТЕМА (ГмМС) есть информационная система, являющаяся техническим средством геомеханического мониторинга, предназначенная, во-первых, для геомеханического обоснования технических и технологических

решений и выбора рекомендаций по управлению горным давление и, во-вторых, для геоме-ханического обеспечения контроля эффективности применения способов управления, выявления опасных проявлений горного давления и оценки влияния горных работ на окружающую среду.

Процессы изменений геомеханического состояния массива горных пород при подземной разработке месторождений могут быть исследованы не только разнообразными методами или комплексом методов, но и с помощью экс-периментально-аналитичес-кого метода, т.е. исследований аналитическими методами с использованием экспериментальных данных [1]. Для построения информационной геомехани-ческой мониторинговой системы (ГмМС) угольной шахты применяется методология компьютерного экспериментально-

аналитического моделирования геомеханиче-ских процессов при отработке угольных пластов [1, 2].

Под экспериментально-аналитическим моделированием в горной геомеханике подразу-

мевается использование при решении задач аналитическими методами в качестве граничных условий данных, а именно смещений боковых пород, замеренных экспериментально или рассчитанных по кратковременным измерениям в шахтных условиях. Такое синтезирование проводится на основе разработанной модели формирования смещений (опусканий) боковых пород кровли и экспериментальноаналитического метода определения изменений Гм-состоя-ния массива горных пород в процессе отработки угольного пласта.

Выполнены аналитические решения задач механики горных пород с использованием в качестве граничных условий результатов экспериментальных измерений или расчетных значений смещений боковых пород. Преимущества такого подхода в исследованиях состоит в использовании реальных проявлений гео-механических состояний конкретных горнотехнических условий и возможностях преодоления трудностей решения пространственных задач.

На основе сформулированной постановки при граничных условиях в виде заданных поверхностей смещений, полученных экспериментально или расчетным

Рис. 1. Расчетная схема

путем, методами механики твердого деформируемого тела получены общие решения пространственной задачи о напряженно-

деформированном состоянии массива горных пород в окрестности очистной выработки [1, 2].

Разработан новый метод горной геомеханики - метод компьютерного экспериментально-аналитического моделирования геомехани-ческого состояния массива горных пород при отработке угольного пласта [1, 2, 3].

Метод, алгоритмы и программы расчетов позволяют отобразить пространственную расчетную схему задачи для любых технологических схем 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 пласт. Эти преимущества разработанного компьютерного метода моделирования пока что не удалось реализовать в горной геомеханике ни при моделировании аналитическими методами (например, методом граничных интегральных уравнений, методом конечных элементов и др.), ни при физическом моделировании (например, с помощью эквивалентных или фотоупругих материалов).

Компьютерное экспериментально - аналитическое моделирование геомеханических процессов и прогнозные расчеты геомеханиче-ской обстановки на выемочных участках проводилось для сложных технологических схем отработки угольных пластов: пространственной системы взаимовлияющих подготовительных и очистных выработок; узкозахватного и широкозахватного, прямолинейной и непрямолинейной формы фронта очистного забоя [3, 4]. Результаты моделирования представлены графическими картинами пространственного вида, картами изолиний уровней поверхностей, графиками временного развития компонент напряжений и смещений в массиве горных пород кровли. Компьютерное моделирование применялось при геомеханической оценке и обосновании новых технологических схем отработки угольных пластов и ресурсосберегающей

технологии анкерного крепления горных выработок на шахтах Кузбасса [3, 4, 5].

В совершенствовании компьютерного метода оценки геомеханического состояния массивов горных пород дальнейшее развитие направлено на разработку

• метода компьютерной визуализации планов горных работ (технологической схемы отработки с механизированной крепью, горнотехнической ситуации на выемочном участке и горно-геологических условий угольного пласта) для расчетных схем пространственных задач геомеханики;

• метода учета взаимодействия механизированных крепей в очистных забоях и разнотипной крепи в подготовительных выработках с массивом горных пород при компьютерном моделировании геомеханической обстановки на выемочном участке угольного пласта.

В настоящей работе приводятся результаты компьютерного моделирования геомеханической обстановки на выемочном участке при технологической схеме отработки угольного пласта длинными лавы. Отличительная особенность проведенных расчетов является учет влияния на геомеханическое состояние массива пород кровли механизированной крепи в призабойном пространстве.

В качестве типичной системы горных выработок при отработке угольного пласта длинными лавами принята схема отработки пласта 6-6а на шахте «Распадская» в Кузбассе.

На рис. 1,аи рис. 2,а приведены расчетные схемы задачи определения напряженно-деформированного состояния пород кровли пласта: схема рис. 1,а соответствует положению очистных работ при достаточном отходе лавы от начала отработки; схема рис. 2,а - при подходе очистных работ к демонтажной камере.

Исходными данными для геомеханических расчетов в такой системе подготовительных и очистной выработок служили натурные (шахтные) наблюдения за смещениями кровли в процессе отработки пластов и эксплуатации выработок шахтах Кузбасса [6, 7].

Расчеты проводились для условий отработки пласта 6-6а на шахте «Распадская» при следующих горно-геологических характеристиках пород на выемочном участке: глубина ведения работ Н = 310-320 м.; пласт средней мощности 4,5 м и сложного строения (содержит 1-2 породных прослоя общей мощности 0.12-0.16 м., гипсометрия пласта полого-волнистая с углом

падения 6 град. Характеристика кровли пласта: ложная кровля пласта - алевралит углистый трещиноватый мощностью 0,10-0,30 м., распространена не повсеместно, обрушается сразу же за выемкой угля; непросредственная кровля

- алевралит мелкозенистый,/ = 4-6 м., мощностью 25 м.; кровля средней устойчивости; основная кровля пласта - песчаник мелкосреднезернистый, / = 7-9 мощностью 21 м.; почва пласта 6-6а - алевралит мелкозернистый 1 = 4-6, мощностью 3,5-4,0 м., средней несущей способности. Пликативных и дизъюнктивных нарушений по монтажной камере не прогнозируется.

Конечные расчетные результаты приведены на рис. 1,Ь и рис. 2,Ь1 в виде картин поверхностей напряженного состояния и смещений плоскости массива пород кровли по контакту с угольным массивом и выработанным пространством.

Основными характеристиками расчетного геомеханического состояния массива горных пород для рассмотренной технологической схемы отработки являются поверхности (рис. 1,а, рис. 2, Ь, (1, е, 1} нормальных к пласту напряжений (опорного давления кровли на угольный пласт и реакции механизированной крепи в призабойном пространстве) и смещений (рис. 2, с ) граничной плоскости массива пород кровли в подготовительных выработках, над угольным массивом и выработанным пространством.

Так, для схемы рис. 1,а пик поверхности (рис. 1,Ь) опорного давления приходится на угольный массив в сопряжении подготовительной и очистной выработок и достигает максимальной величины концентрации (Кшах) напряжений

Кшах = О шах/уН = 1,63

где ашах - максимальные нормальные к пласту напряжения на границе кровли с пластом, МПа; у - удельный вес пород, т/м3; Н - глубина работ от земной поверхности, м.

Величина опорного давления на угольный массив в призабойной части угольного пласта и по борту очистной выработки достигает величины концентрации до Кшах = 1,5, а по бокам подготовительной выработки до Кшах = 1,4. Давление на механизированную крепь в призабойном пространстве достигает 0,5-0.6 уН.

В дополнение к расчетам геомеханической обстановки на выемочном участке проводи-

лись лабораторные исследования образцов угля в вентиляционном и конвейерном штреках при отработке лавы 5а-10-14 на шахте «Распадская» Средняя скорость подвигания очистного забоя 10 м/сут.

Для оценки влияния положения очистного забоя на степень трещиноватости угля был выбран коэффициент поверхностной плотности трещин (P) образцов угля, определяемый как отношение суммарной длине (L) следов трещин к площади (S) образца пересекаемой этими следами [8]: P = L/S, а для оцифрованного изображения имеет вид

p=Ъ. / ~.

1=1

где L - суммарная длина следов трещин, м; S -площадь пересекаемая следами трещин, м2, P

- поверхностная плотность оцифрованных трещин, м"1; lj - сумма пикселей i-ой трещины;

S - площадь оцифрованного изображения, м2.

В лаборатории из проб угля изготавливаются аншлиф-штуфы. Изготовление проводится в соответствии с ГОСТ [9]. Приготовление аншлиф-штуфов состоит из двух операций шлифование и полирование на шлифовальном станке. Шлифуются две взаимно параллельные плоскости, перпендикулярные к наслоению, сначала на грубой наждачной бумаге, затем на мелкой. После чего на ткани полируется одна из поверхностей с применением алмазной пасты.

Подготовленные образцы закрепляются на горизонтальной поверхности для получения снимков с помощью цифровой камеры с разрешающей способностью 1200x600 пикселей и возможностью сохранения снимков в электронном формате JPG.

Цифровая камера крепится параллельно поверхности аншлиф-штуфа на фокусном расстоянии 200 мм.

Полученные цифровые снимки поверхности аншлиф-штуфа подвергаются дальнейшей обработки. Алгоритм обработки изображений трещин заключается в наложении на оцифрованные изображения образцов угля трех типовых [10] и специально разработанного фильтров, реализованных с использованием Image

Processing Toolbox интегрированной системы MatLab.

Результаты анализа полученных данных представлены на рис. 1,с. Для образцов угля взятых по вентиляционному штреку на расстоянии до очистного забоя 600 м поверхностная плотность оцифрованных трещин P составила 110 м-1 и по конвейерному штреку на расстоянии 500 м P составила 120 м-1. На расстоянии 200 м до очистного забоя P составила 140 м-1 для образцов угля взятых с конвейерного штрека и для вентиляционного штрека на расстоянии 300 м P составила 130 м-1. На расстоянии до очистного забоя 100 м по конвейерному штреку P равняется 180 м-1. По вентиляционному штреку на расстоянии 60 м P составила 170 м-1. На расстоянии 30 м до очистного забоя по конвейерному штреку P составила 180 м-1; для вентиляционного штрека при расстоянии до очистного забоя 20 м P составила 320 м-1.

Исследования об-

разцов показали изменение поверхностной плотности трещин в зависимости от расстояния до фронта очистных работ. Если на расстоянии 300-600 м влияние очистного забоя практически не прослеживается и поверхностная плотность трещин для вентиляционного и конвейерного штрека составляет 110-140 м-1, на расстоянии 100 м поверхностная плотность увеличивается в 1,4 по конвейерному штреку и 1,35 раза по вентиляционному штреку, то на расстоянии от очистного забоя 20-30 м поверхностная плот-

ность на конвейерном и вентиляционном штреках увеличилась соответственно в 1,6 и 2,2 раза.

Дальнейшие расчеты геомеханического состояния на выемоч-

ном участке проводились для случая подхода лавы к демонтажной камере (схема на рис. 2,а).

Для схемы рис. 2,а пики поверхностей опорного давления приходятся на угольный массив целика между лавой и демонтажной камерой и в сопряжениях вентиляционного и конвейерного штреков с демонтажной камерой и достигает максимальных величин концентрации напряжений до Кшах = 1,73 уН. Пики опорного давления на угольный целик между очистной выработкой и демонтажной камерой со-

Рис. 2. Расчетная схема (а) задачи определения геоме-ханической обстановки на выемочном участке при подходе очистного забоя к демонтажной камере и фрагменты картин напряженно-деформированного состояния (поверхность (Ь) смещений (Ж(х,у), мм) пород кровли окрестности конвейерного штрека; поверхность (е) и линии уровней концентраций напряжений (К(х,у) = о(х,у) / где о(х,у) - напряжения нормальные к пласту; / - плотность пород; Н - глубина работ) в кровле отрабатываемого угольного пласта в окрестности вентиляционного (й), конвейерного ф штреков и срединной части (в) лавы

ставляют до 1,5-1,6 уН. Величина отпора меха-

низированной крепи 0,4-0,5 уН.

При расчетах детально проявляется пространственный характер картин геомеханиче-ского состояния, определяемый пространственной системой выработок в угольном массиве - очистной с механизированной крепью и подготовительными выработками.

Для схем рис. 1,а и рис. 2,а только в срединной части можно предполагать выполнение условий плоской задачи, да и то, если не рассматривать сечения вне влияния очистного комбайна и сопряжений очистной и подготовительных выработок.

На выемочном участке при сложном сочетании подготовительных и очистных выработках в остальных сечениях имеем сугубо пространственную систему выработок. Такая сис-

1. Власенко Б.В. Разработка методов прогнозирования проявлений горного давления для геомеханиче-ского мониторинга на угольных шахтах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Кемерово, 1993. - 39 с.

2. Власенко Б.В. Экспериментально - аналитическое моделирование пространственной геомеханической обстановки при мониторинге на угольных шахтах. Proceedings of the 12th International Conference on Autom in Mining, GliwicePoland, 13-15.09.1995. PP.75 - 80.

3. Jalevsky V.D., Vlasenko B.V. Geomechanical evalution of method for long room mining of coal seams. APCOM98. 27-th International Symposium on Computer Applications in the Miniral Industries. Papers presented at the APCOM98' conferens, organized by the Institution of Mining and Metallyrgy and help in London, United Kingdom from 19 to 23 April, 1998: PP. 429-440.

4. Власенко Б.В. Компьютерное экспериментально-аналитическое моделирование состояний массива горных пород для геомеханического мониторинга на угольных шахтах // Горный информационноаналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ, 2001, № 10. - С. 114-120.

тема пластовых выработок очень трудна в рассмотрениях теоретическими методами (аналитическим или физическим моделированием).

Таким образом компьютерное экспериментально-аналитическое моделирование геомеха-нических процессов в информационной мониторинговой системе угольной шахты позволяет определить геомеханическую обстановку на выемочных участках как в 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 обоснованных технических и технологических решений при отработке пласта.

----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5. Ануфриев В.Е., Барковский В.В., Власенко Б.В., Денискин Н.Ф., Харитонов В.Т., Цыцаркин В.Н. Исследование свойств новых типов анкеров для упрочения приконтурного массива горных выработок./ Горный информационно-аналитический бюллетень. -М.: Изд-во МГГУ, 2003, № 1. - С.160-164.

6. Грицко Г.И, Власенко Б.В., Цыцаркин и др. Прогнозирование и расчет проявлений горного давлении. Новосибирск: Наука, 1980. - 159 с.

7. Грицко Г.И., Цыцаркин В.Н. Горное давление в подготовительных выработках мощных пластов. - Новосибирск: Наука, 1982. -85 с.

8. Дорофеева Т.В. Тектоническая трещиноватость горных пород и условия формирования трещинных коллекторов нефти и газа. - Л.: Недра, 1986, - 224 с.

9. Уголь каменный и антрацит. Метод подготовки образцов угля. ГОСТ 9414.2-93 - М. Издательство стандартов, 1994 - 20 с.; Шлифование и полирование пропитанного образца. ГОСТ Р50177.2, ГОСТ 12113-94

- М.: Издательство стандартов, 1995 - 20 с.

10. Прэтт У. Цифровая обработка изображений.

- М.: Мир, 1982. - Т.1 - 312 с.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------

Власенко Борис Васильевич - доктор технических наук, профессор,

Макеев Максим Павлович - аспирант,

Цыцаркин Валентин Николаевич - кандидат технических наук,

Институт угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук.