О форме полости выброса в забое горной выработки, проводимой по выбросоопасному угольному пласту
С использованием методов математического моделирования исследованы особенности формирования полости разрушения при газодинамических явлениях, происходящих в забое горной выработки вблизи тектонических нарушений. Путем сравнения расчетных и фактических данных относительно формы полости выброса провед...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Геотехнічна механіка |
|---|---|
| Дата: | 2015 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2015
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135994 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | О форме полости выброса в забое горной выработки, проводимой по выбросоопасному угольному пласту / В.В. Круковская // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2015. — Вип. 125. — С. 216-228. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-135994 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Круковская, В.В. 2018-06-15T17:42:48Z 2018-06-15T17:42:48Z 2015 О форме полости выброса в забое горной выработки, проводимой по выбросоопасному угольному пласту / В.В. Круковская // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2015. — Вип. 125. — С. 216-228. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135994 622.831.332:551.24 С использованием методов математического моделирования исследованы особенности формирования полости разрушения при газодинамических явлениях, происходящих в забое горной выработки вблизи тектонических нарушений. Путем сравнения расчетных и фактических данных относительно формы полости выброса проведена верификация разработанной математической модели совместного протекания нестационарных связанных процессов упругопластического деформирования трещиновато-пористой среды и фильтрации метана. В статье приведены распределения значений геомеханических и фильтрационных параметров в нарушенной зоне угольного пласта в различные моменты времени протекания ГДЯ. Рассмотрены различные варианты распределения физико-механических свойств пород кровли угольного пласта. Показано, что в случае крепких, ненарушенных вмещающих пород полость выброса располагается в пределах угольного пласта; вертикальное сечение полости разрушения имеет прямоугольную форму с выгнутой торцевой частью, горизонтальное – форму неправильного эллипса. В случае, когда физико-механические свойства вмещающих пород так же, как и свойства угля, ослаблены вблизи тектонического нарушения, во время ГДЯ происходит их разрушение и вынос породы вместе с углем из образующейся полости. З використанням методів математичного моделювання досліджено особливості формування порожнини руйнування при газодинамічних явищах, що відбуваються у вибої гірничої виробки поблизу тектонічних порушень. Шляхом порівняння розрахункових і фактичних даних щодо форми порожнини викиду проведена верифікація розробленої математичної моделі сумісного перебігу нестаціонарних зв'язаних процесів пружно-пластичної деформування тріщинувато-пористого середовища та фільтрації метану. У статті наведено розподіли значень геомеханічних і фільтраційних параметрів в порушеній зоні вугільного пласта в різні моменти часу протікання ГДЯ. Розглянуто різні варіанти розподілу фізико-механічних властивостей порід покрівлі вугільного пласта. Показано, що в разі міцних, непорушених порід, що вміщують виробку, порожнина викиду розташовується в межах вугільного пласта; вертикальний переріз порожнини руйнування має прямокутну форму з вигнутою торцевою частиною, горизонтальний – форму неправильного еліпсу. У разі, коли фізико-механічні властивості порід так само, як і властивості вугілля, ослаблені поблизу тектонічного порушення, під час ГДЯ відбувається їх руйнування і винос породи разом з вугіллям з утвореної порожнини. Specific formation of destruction cavities at the gas-dynamic phenomena occurred in the tunnel face near the tectonic faults were studied with the help of mathematical simulation methods. The designed mathematical model of joint behaviour of nonstationary coupled processes of elasto-plastic deformation of porous fractured medium and methane filtration was verified by way of comparing calculated and factual data on the shape of the outburst cavity. Distribution of geomechanical and filtration parameter values in a disturbed coal seam zone in different time points of the gas-dynamic phenomena are presented in the article. Different variants of physical and mechanical properties distribution in the coal seam roof rock are considered. It is shown that in case of strong, undisturbed surrounding rocks the outburst cavity is formed within the coal seam; vertical section of the outburst cavity has a rectangular shape with a curved end, and horizontal section has a shape of irregular ellipse. When physical and mechanical properties of surrounding rocks as well as the coal properties are weakened near the tectonic fault, then during the gas-dynamic phenomenon, the rocks are destructed and removed away from the generating cavity together with coal. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехнічна механіка О форме полости выброса в забое горной выработки, проводимой по выбросоопасному угольному пласту Про форму порожнини викиду у вибої гірничої виробки, яку проводять по викидонебезпечному вугільному пласту About form of outburst cavity in mine working at roadheading by outburst coal seam Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
О форме полости выброса в забое горной выработки, проводимой по выбросоопасному угольному пласту |
| spellingShingle |
О форме полости выброса в забое горной выработки, проводимой по выбросоопасному угольному пласту Круковская, В.В. |
| title_short |
О форме полости выброса в забое горной выработки, проводимой по выбросоопасному угольному пласту |
| title_full |
О форме полости выброса в забое горной выработки, проводимой по выбросоопасному угольному пласту |
| title_fullStr |
О форме полости выброса в забое горной выработки, проводимой по выбросоопасному угольному пласту |
| title_full_unstemmed |
О форме полости выброса в забое горной выработки, проводимой по выбросоопасному угольному пласту |
| title_sort |
о форме полости выброса в забое горной выработки, проводимой по выбросоопасному угольному пласту |
| author |
Круковская, В.В. |
| author_facet |
Круковская, В.В. |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Геотехнічна механіка |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Про форму порожнини викиду у вибої гірничої виробки, яку проводять по викидонебезпечному вугільному пласту About form of outburst cavity in mine working at roadheading by outburst coal seam |
| description |
С использованием методов математического моделирования исследованы особенности формирования полости разрушения при газодинамических явлениях, происходящих в забое горной выработки вблизи тектонических нарушений. Путем сравнения расчетных и фактических данных относительно формы полости выброса проведена верификация разработанной математической модели совместного протекания нестационарных связанных процессов упругопластического деформирования трещиновато-пористой среды и фильтрации метана. В статье приведены распределения значений геомеханических и фильтрационных параметров в нарушенной зоне угольного пласта в различные моменты времени протекания ГДЯ. Рассмотрены различные варианты распределения физико-механических свойств пород кровли угольного пласта. Показано, что в случае крепких, ненарушенных вмещающих пород полость выброса располагается в пределах угольного пласта; вертикальное сечение полости разрушения имеет прямоугольную форму с выгнутой торцевой частью, горизонтальное – форму неправильного эллипса. В случае, когда физико-механические свойства вмещающих пород так же, как и свойства угля, ослаблены вблизи тектонического нарушения, во время ГДЯ происходит их разрушение и вынос породы вместе с углем из образующейся полости.
З використанням методів математичного моделювання досліджено особливості формування порожнини руйнування при газодинамічних явищах, що відбуваються у вибої гірничої виробки поблизу тектонічних порушень. Шляхом порівняння розрахункових і фактичних даних щодо форми порожнини викиду проведена верифікація розробленої математичної моделі сумісного перебігу нестаціонарних зв'язаних процесів пружно-пластичної деформування тріщинувато-пористого середовища та фільтрації метану. У статті наведено розподіли значень геомеханічних і фільтраційних параметрів в порушеній зоні вугільного пласта в різні моменти часу протікання ГДЯ. Розглянуто різні варіанти розподілу фізико-механічних властивостей порід покрівлі вугільного пласта. Показано, що в разі міцних, непорушених порід, що вміщують виробку, порожнина викиду розташовується в межах вугільного пласта; вертикальний переріз порожнини руйнування має прямокутну форму з вигнутою торцевою частиною, горизонтальний – форму неправильного еліпсу. У разі, коли фізико-механічні властивості порід так само, як і властивості вугілля, ослаблені поблизу тектонічного порушення, під час ГДЯ відбувається їх руйнування і винос породи разом з вугіллям з утвореної порожнини.
Specific formation of destruction cavities at the gas-dynamic phenomena occurred in the tunnel face near the tectonic faults were studied with the help of mathematical simulation methods. The designed mathematical model of joint behaviour of nonstationary coupled processes of elasto-plastic deformation of porous fractured medium and methane filtration was verified by way of comparing calculated and factual data on the shape of the outburst cavity. Distribution of geomechanical and filtration parameter values in a disturbed coal seam zone in different time points of the gas-dynamic phenomena are presented in the article. Different variants of physical and mechanical properties distribution in the coal seam roof rock are considered. It is shown that in case of strong, undisturbed surrounding rocks the outburst cavity is formed within the coal seam; vertical section of the outburst cavity has a rectangular shape with a curved end, and horizontal section has a shape of irregular ellipse. When physical and mechanical properties of surrounding rocks as well as the coal properties are weakened near the tectonic fault, then during the gas-dynamic phenomenon, the rocks are destructed and removed away from the generating cavity together with coal.
|
| issn |
1607-4556 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135994 |
| citation_txt |
О форме полости выброса в забое горной выработки, проводимой по выбросоопасному угольному пласту / В.В. Круковская // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2015. — Вип. 125. — С. 216-228. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT krukovskaâvv oformepolostivybrosavzaboegornoivyrabotkiprovodimoipovybrosoopasnomuugolʹnomuplastu AT krukovskaâvv proformuporožninivikiduuviboígírničoívirobkiâkuprovodâtʹpovikidonebezpečnomuvugílʹnomuplastu AT krukovskaâvv aboutformofoutburstcavityinmineworkingatroadheadingbyoutburstcoalseam |
| first_indexed |
2025-11-24T16:26:14Z |
| last_indexed |
2025-11-24T16:26:14Z |
| _version_ |
1850482620295544832 |
| fulltext |
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125
216
УДК 622.831.332:551.24
Круковская В.В., д-р техн. наук, ст. науч. сотр.
(ИГТМ НАН Украины)
О ФОРМЕ ПОЛОСТИ ВЫБРОСА В ЗАБОЕ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ,
ПРОВОДИМОЙ ПО ВЫБРОСООПАСНОМУ УГОЛЬНОМУ ПЛАСТУ
Круковська В.В., д-р техн. наук, ст. наук. співр.
(ІГТМ НАН України)
ПРО ФОРМУ ПОРОЖНИНИ ВИКИДУ У ВИБОЇ ГІРНИЧОЇ ВИРОБКИ,
ЯКУ ПРОВОДЯТЬ ПО ВИКИДОНЕБЕЗПЕЧНОМУ ВУГІЛЬНОМУ
ПЛАСТУ
Krukovskaya V.V., D.Sc. (Tech.), Senior Researcher
(IGTM NAS of Ukraine)
ABOUT FORM OF OUTBURST CAVITY IN MINE WORKING AT
ROADHEADING BY OUTBURST COAL SEAM
Аннотация. С использованием методов математического моделирования исследованы
особенности формирования полости разрушения при газодинамических явлениях, происхо-
дящих в забое горной выработки вблизи тектонических нарушений. Путем сравнения рас-
четных и фактических данных относительно формы полости выброса проведена верифика-
ция разработанной математической модели совместного протекания нестационарных связан-
ных процессов упругопластического деформирования трещиновато-пористой среды и
фильтрации метана.
В статье приведены распределения значений геомеханических и фильтрационных пара-
метров в нарушенной зоне угольного пласта в различные моменты времени протекания ГДЯ.
Рассмотрены различные варианты распределения физико-механических свойств пород кров-
ли угольного пласта. Показано, что в случае крепких, ненарушенных вмещающих пород по-
лость выброса располагается в пределах угольного пласта; вертикальное сечение полости
разрушения имеет прямоугольную форму с выгнутой торцевой частью, горизонтальное –
форму неправильного эллипса. В случае, когда физико-механические свойства вмещающих
пород так же, как и свойства угля, ослаблены вблизи тектонического нарушения, во время
ГДЯ происходит их разрушение и вынос породы вместе с углем из образующейся полости.
Ключевые слова: моделирование связанных процессов, газодинамический процесс,
форма полости разрушения, тектонические нарушения.
Современные методы имитационного численного моделирования позволяют
создавать виртуальные модели обширных участков горного массива со всем
разнообразием его литологического состава и физико-механических свойств
каждого породного слоя. Позволяют задать начальную пористость и проницае-
мость пород, наполнить трещинно-поровое пространство газом; прорезать в
этом виртуальном массиве систему выработок и исследовать во времени взаи-
модействие геомеханических и фильтрационных полей [1-3]. Ранее на основе
решения связанной системы дифференциальных уравнений упругопластиче-
ского деформирования породного массива и нестационарной фильтрации мета-
на была разработана численная модель развязывания и протекания газодинами-
ческих явлений [4-6].
© В.В. Круковская, 2015
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125
217
Важнейшим этапом создания сложных моделей связанных физических про-
цессов является их детальная верификация. Что касается упомянутой модели
протекания газодинамического процесса, была выполнена верификация как от-
дельных составляющих ее модулей (расчет изменения НДС и расчет парамет-
ров нестационарной фильтрации метана), так и всей модели в целом. Проверка
адекватности разработанной модели фильтрации газа в нарушенной области
осуществлялась путем сравнения расчетных данных по газовыделению в сква-
жину с аналитическими решениями [7], по распределению давления газа вокруг
скважины и изменению давления в подрабатываемом угольном пропластке – с
экспериментальными данными [7]. Изменение НДС массива сопоставлялось с
данными по смещениям контура выработок. Верификация модели связанных
геомеханических и фильтрационных процессов была выполнена путем сравне-
ния расчетных параметров и шахтных данных относительно деления процесса
выброса угля и метана на стадии, условий затухания процесса выброса угля и
газа [8], размеров полости выброса и количества выброшенного угля [8]. В дан-
ной работе будет проведен еще и анализ формы полостей разрушения, полу-
ченных расчетным путем, при изменении физико-механических свойств вме-
щающих пород в зоне влияния тектонического нарушения.
Цель работы – с использованием методов математического моделирования
исследовать некоторые особенности формирования полости разрушения при
ГДЯ, происходящих на пологих угольных пластах средней мощности, в забое
горной выработки вблизи тектонических нарушений и сравнить результаты
расчетов с фактическими данными.
Постановка задачи. Уравнение неразрывности газового потока в плоской
постановке при наличии источника газовыделения – сорбированного метана –
можно представить в виде [9]:
)(tq
y
p
k
yx
p
k
xt
p
yx
.
где p – давление газа, МПа; xk , yk – коэффициенты проницаемости твердого
тела, мДа; )(tq – функция газовыделения.
В окрестности тектонических нарушений уголь перемят, на 10-20 м по обе
стороны от нарушения имеет начальную проницаемость. В результате проведе-
ния горной выработки перераспределяется поле начальных напряжений, во
вмещающем массиве формируются системы трещин. На поле начальной, тек-
тонической, проницаемости
тектK накладывается поле технологической прони-
цаемости
технK , которая определенным образом [7] зависит от компонент тен-
зора главных напряжений 321 , , :
321 , ,),( технтект KyxKK .
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125
218
Поэтому для расчета поля технологической проницаемости необходимо
знать значения компонент тензора напряжений в каждой точке исследуемой
области, и полная система уравнений, описывающая нестационарное поведение
двухфазной среды «трещиновато-пористое твердое тело – газ» в тектонически
нарушенной зоне, будет выглядеть следующим образом [4, 5]:
2
2
, )()()(
t
u
tPtTtX i
siiijij ;
);(tq
y
p
k
yx
p
k
xt
p
yx
текттехн kkk 321 , , ,
где jij, – производные от компонент тензора напряжений по x, y, МПа/м;
)(tX i – проекции внешних сил, действующих на единицу объема твердого те-
ла, Н/м
3
; )(tTi – проекции сил, вызванных внутренним трением, действующих
на единицу объема тела, Н/м
3
; )(tPi – проекции сил, обусловленных давлением
газа в трещинно-поровом пространстве, Н/м
3
; s – плотность породы, кг/м
3
; iu
– перемещения, м.
Для математического описания процесса перехода горных пород в нарушен-
ное состояние применяется условие прочности Кулона-Мора, которое учитыва-
ет возможность возникновения разрушения как в результате сдвига, так и в ре-
зультате отрыва [10, 11]. Начальные и граничные условия для поставленной за-
дачи записываются в виде:
;
;
;
00
0
0
pp
H
H
t
txx
tyy
,0
;0
МПа; 1,0
;
4
3
2
1
0
y
x
t
u
u
p
pp
где – усредненный вес вышележащих горных пород, Н/м
3
; H – глубина раз-
работки, м; – коэффициент бокового распора; 0p – давление газа в нетрону-
том массиве, МПа; t1 – изменяющаяся во времени граница области фильт-
рации; 2 – внутренний контур (выработка); 3 – вертикальные границы
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125
219
внешнего контура; 4 – горизонтальные границы внешнего контура.
Чтобы получить решение этого дифференциального уравнения на опреде-
ленном временном промежутке, применяется конечно-разностный метод.
Будем рассматривать случаи, когда мощность угольного пласта меньше вы-
соты выработки. Пусть забой выработки высотой 3 м находится на расстоянии
7,75 м от тектонического нарушения «сброс» с амплитудой смещения 1 м, ок-
руженного десятиметровой зоной перемятого угля. Мощность угольного пласта
1,5 м, глубина проведения выработки – 1000 м. Газоносность угля – 20 м
3
/т, со-
держание метана в свободной форме – 10 %. Свойства угля в нарушенной зоне
вблизи тектонического нарушения: сцепление С линейно уменьшается, а про-
ницаемость k линейно возрастает от границы нарушенной зоны к тектониче-
скому нарушению, прочность на растяжение 0р .
Условиями образования полости выброса считаются:
1) принадлежность конечного элемента области неупругих деформаций, вы-
званных растягивающими напряжениями;
2) выполнение критерия превышения градиентом фильтрации метана крити-
ческого значения . 1Cpgrad
Выброс угля и газа в забое горной выработки, проводимой по пологому
угольному пласту. Свойства пород, используемые при расчетах, представлены
в табл. 1. При выполнении расчета получим распределение значений параметра
HQ )( 31 , отражающего разнокомпонентность поля напряжений, в раз-
личные моменты времени и относительное давление метана в вертикальном се-
чении вдоль выработки, рис. 1, и в горизонтальном сечении по центру угольно-
го пласта, рис. 2.
Таблица 1 – Свойства вмещающих пород за пределами тектонически нарушенной зоны
Порода
Модуль
упругости,
Е, МПа
Коэфф.
Пуассона,
Сцепле-
ние, С,
МПа
Угол внут-
рен. трения,
,
о
Прочность
на растяж.,
р , МПа
Аргиллит 10
4
0,2 10 30 2
Уголь 5*10
3
0,2 5 30 1
Вблизи тектонического нарушения, в зоне нарушенного угольного пласта,
область повышенной разнокомпонентности стремительно продвигается вглубь
массива. Зона неупругих деформаций, в данном случае практически совпадаю-
щая с полостью разрушения, быстро растет от забоя выработки по угольному
пласту. Давление метана в угольном пласте вблизи выработки быстро падает,
градиенты давления и скорость фильтрации метана принимают очень высокие
значения, проницаемость угля стремительно растет – происходит вынос угля и
образование полости в угольном пласте, длина которой достигает 6,75 м при
данных начальных и граничных условиях. Затем рост полости останавливается,
скорости течения метана падают, давление метана в угольном пласте продол-
жает медленно снижаться – геомеханические процессы и процесс фильтрации
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125
220
метана возвращаются к квазистационарному режиму. Время протекания дина-
мического процесса – 10 с.
а)
б)
в)
г)
а) t = 2 c; б) t = 4 c; в) t = 6 c; г) t = 8 c
Рисунок 1 – Распределение значений параметра Q , зоны неупругих деформаций (слева), рост
полости разрушения, относительное давление метана (справа) в выбросоопасной зоне вблизи
тектонического нарушения. Вертикальное сечение
Как видно из рис. 1, полость разрушения располагается в пределах угольно-
го пласта, сверху и снизу она ограничена вмещающими породами. Вертикаль-
ное сечение полости разрушения имеет прямоугольную форму, с выгнутой тор-
цевой частью. В горизонтальном сечении форма полости разрушения также
практически повторяет контур зоны неупругих деформаций, с более сглажен-
ными границами, рис. 2. Она имеет форму неправильного эллипса, большая ось
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125
221
которого перпендикулярна оси выработки.
а)
б)
в)
а) t = 2 c; б) t = 4 c; в) t = 6 c
Рисунок 2 – Распределение значений параметра Q , зоны неупругих деформаций (слева), рост
полости разрушения, относительное давление метана (справа). Горизонтальное сечение
Сравним полученные расчетные результаты по форме полости разрушения с
фактическими данными.
22.02.1976 г. в 3 ч. 20 мин. в Вентиляционном ходке, горизонт 719 м, пласт
h8 – Прасковиевский, шахта «Глубокая» ПО «Донецкуголь», во время уборки
горной массы после сотрясательного взрывания произошел внезапный выброс,
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125
222
рис. 3. Интенсивность выброса – 60 т угля и 3000 м
3
метана. При этом глубина
полости разрушения составила 6 м, ширина – 15 м [12].
а)
б)
а – до выброса; б – после выброса
Рисунок 3 – Схема проведения выработки и размеры полости выброса в
Вентиляционном ходке, шахта «Глубокая» [12]
4.10.1979 г. в 5 ч. 28 мин. в Южном вентиляционном штреке, горизонт
845 м, пласт Л4 – Никанор, шахта им. В.Р. Менжинского ПО «Первомайск-
уголь», во время выемки угля отбойным молотком, вблизи тектонического на-
рушения произошел внезапный выброс, рис. 4. Интенсивность выброса – 70 т
угля и 5000 м
3
метана [12].
а) б)
а – до выброса; б – после выброса
Рисунок 4 – Схема проведения выработки и размеры полости выброса в Южном
вентиляционном штреке, шахта им. В.Р. Менжинского [12]
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125
223
Таким образом, и расчетные и фактические данные говорят о том, что в рас-
смотренном случае полость выброса располагается в пределах угольного пла-
ста, сверху и снизу она ограничена вмещающими породами. Вертикальное се-
чение полости разрушения имеет прямоугольную форму, возможно, с выгнутой
торцевой частью, горизонтальное – форму неправильного эллипса, большая ось
которого перпендикулярна оси выработки.
Сравнивая рис. 1, 2 и 3, 4, можно видеть, что в общем расчетная форма по-
лости разрушения при газодинамических явлениях в пологом угольном пласте
в забое горной выработки совпадает с фактическими данными.
Выброс угля и газа в забое горной выработки с разрушением вмещаю-
щих пород. Рассмотрим процесс выброса в случае, когда физико-механические
свойства пород непосредственной кровли пласта так же, как и свойства угля,
ослаблены вблизи тектонического нарушения. Например, сцепление С аргилли-
та в нарушенной зоне вокруг тектонического нарушения в 5 раз меньше, чем в
ненарушенной (С = С0/5), прочность на растяжение р над угольным пластом –
меньше в два раза ( р = р 0/2).
Распределение значений параметра Q и относительное давление метана в
различные моменты времени в вертикальном сечении вдоль выработки показа-
ны на рис. 5.
Видно, что в этом случае во время ГДЯ разрушается часть аргиллита над
угольным пластом. Вблизи забоя высота полости разрушения становится рав-
ной высоте выработки, форма полости разрушения повторяет форму полости
при выбросе в Южном вентиляционном штреке на шахте им. В.Р. Менжинско-
го, рис. 4 б, вертикальное сечение.
Рассмотрим пример, когда изменение физико-механических свойств вме-
щающих пород носит другой характер: сцепление С аргиллита линейно умень-
шается от границы нарушенной зоны к тектоническому нарушению, прочность
на растяжение р над угольным пластом в нарушенной зоне в два раза меньше,
чем в ненарушенной. Распределение значений параметра Q и относительное
давление метана в различные моменты времени в вертикальном сечении вдоль
выработки для этого случая показаны на рис. 6.
При заданном характере изменения свойств аргиллита над угольным пла-
стом он разрушается, образуя свод высотой до 0,95 м. В зависимости от мощ-
ности ослабленного породного слоя над угольным пластом высота полости раз-
рушения для данных начальных и граничных условий находится в пределах от
2,15 до 2,45 м при мощности угольного пласта 1,5 м.
Результаты моделирования показали, что если физико-механические свойст-
ва вмещающих пород ослаблены вблизи тектонического нарушения, во время
ГДЯ происходит их разрушение и вынос породы вместе с углем из образую-
щейся полости.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125
224
а)
б)
в)
а) t = 2 c; б) t = 4 c; в) t = 6 c
Рисунок 5 – Распределение значений параметра Q , зоны неупругих деформаций (слева), рост
полости разрушения, относительное давление метана (справа) при ослаблении свойств
вмещающих пород, С = const
При анализе статистических данных по выбросам, произошедшим на шахтах
Донбасса в 1976-1987 г.г. [12], получим, что в забоях горных выработок на тон-
ких и средней мощности пологих угольных пластах, за этот период произошло
37 выбросов. Данные по форме полости разрушения имеются не для всех этих
случаев. По имеющимся данным, в вертикальном сечении полость выброса
располагается в пределах пласта в 75 % случаев, захватывает вмещающие по-
роды – в 25 %; в горизонтальном сечении полость выброса имеет форму непра-
вильного овала в 58 %, определяется положением относительно тектонического
нарушения и ограничена линией разрыва – в 32 % случаев.
Похожая ситуация наблюдалась в забое транспортного штрека панели №33
вблизи тектонического нарушения, (горизонт 1012 м, пласт М8 – Макеевский,
шахта им. В.М. Бажанова, ПО «Макеевуголь»). 19.01.1979 г. в 7 ч. 00 мин. во
время зачистки нижней части пласта комбайном там произошел внезапный вы-
брос, рис. 7. Интенсивность выброса – 80 т угля и 600 м
3
метана. При этом глу-
бина полости разрушения составила 5,8 м [12].
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125
225
а)
б)
в)
г)
а) t = 2 c; б) t = 4 c; в) t = 6 c; г) t = 8 c
Рисунок 6 – Распределение значений параметра Q , зоны неупругих деформаций (слева),
рост полости разрушения, относительное давление метана (справа) при ослаблении свойств
вмещающих пород, С = f(x)
а) б)
а – до выброса; б – после выброса
Рисунок 7 – Размеры полости выброса в забое транспортного штрека панели №33,
шахта им. В.М. Бажанова [12]
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125
226
Выводы. В результате проведения серии вычислительных экспериментов, в
которых одиночная горная выработка проводится по пологому выбросоопасно-
му угольному пласту вблизи тектонического нарушения, показано следующее.
1) Расчетная форма полости разрушения при газодинамических явлениях в
забое горной выработки совпадает с фактическими данными, что подтверждает
адекватность разработанной модели.
2) Форма и размеры полости разрушения при ГДЯ зависят не только от
свойств угольного пласта, но и от физико-механических свойств вмещающих
пород, которые также могут быть ослаблены в зоне влияния тектонических на-
рушений.
3) В случае крепких (ненарушенных) вмещающих пород полость выброса
располагается в пределах угольного пласта, сверху и снизу она ограничена
вмещающими породами. Вертикальное сечение полости разрушения имеет
прямоугольную форму, возможно, с выгнутой торцевой частью, горизонталь-
ное – форму неправильного эллипса, большая ось которого перпендикулярна
оси выработки.
4) В случае, когда физ.-мех. свойства вмещающих пород так же, как и свой-
ства угля, ослаблены вблизи тектонического нарушения, во время ГДЯ проис-
ходит их разрушение и вынос породы вместе с углем из образующейся полости,
причем мощность нарушенного слоя и характер изменения его физ.-мех.
свойств полностью определяют форму полости разрушения.
–––––––––––––––––––––––––––––––
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Xue, S. A coupled DEM and LBM model for simulation of outbursts of coal and gas / S. Xue, L.
Yuan,, J. Wang et al. // International Journal of Coal Science and Technology, 2015. – № 2(1). – Р. 22-29.
2. Zhou, A. Numerical simulation for propagation characteristics of shock wave and gas flow induced by
outburst intensity/ A. Zhou, K. Wang, L. Wang et al. // International Journal of Mining Science and Tech-
nology, 2015. – № 25. – Р. 107-112.
3. Paterson, L. A model for outbursts in coal / L. Paterson // International Journal of Rock Mech. Min.
Sci. & Geomech., 1986. – Vol. 23. – №4. – Р. 327-332.
4. Лукинов, В.В. Моделирование процесса выброса угля и метана вблизи тектонических наруше-
ний / В.В. Лукинов, А.П. Круковский, В.В. Круковская // Форум гірників-2007: Матеріали міжнарод-
ної конференції. – Дніпропетровськ: Національний гірничий університет, 2007. – С. 63-69.
5. Круковская, В.В. Моделирование связанных процессов, происходящих в углепородном масси-
ве при ведении горных работ / В.В. Круковская / Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. /
ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2015. – № 121. – С. 48-99.
6. Круковский, А.П. Изучение параметров процесса выброса угля и газа с использованием ком-
пьютерного моделирования / А.П. Круковский, В.В. Круковская // Геотехническая механика: Меж-
вед. сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2015. – № 122. – С. 100-109.
7. Круковская, В.В. Разработка метода расчета параметров процесса фильтрации метана с учетом
напряженно-деформированного состояния подрабатываемого углепородного массива: дис. … канд.
техн. наук: 05.15.11 / В.В. Круковская. – Днепропетровск, 2006. – 134 с.
8. Круковская, В.В. Развитие теории связанных процессов в применении к геомеханике углепо-
родного массива: дис. … докт. техн. наук: 05.15.09 / В.В. Круковская. – Днепропетровск, 2013. – 344
с.
9. Zienkiewicz, O.C. The finite element method / O.C. Zienkiewicz, R.L. Taylor. – Butterworth-
Heinemann, 2000. – Т. 1. – 690 p.
10. Виноградов, В.В. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок /
Виноградов В.В. – К.: Наукова думка, 1989. – 192 с.
11. On Rock Failure Criteria for Coal Measure Rocks / M. Gadde, J. Rusnak, J. Honse, S. Peng // Pro-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125
227
ceedings of the 26 International Conference on Ground Control in Mining. – Morgantown: WV, 2007. – Р.
361–369.
12. Каталог внезапных выбросов угля и газа на шахтах / ВНИИ Горн. геомеханики и маркшейд.
дела, Укр. фил. – Л: ВНИМИ, 1989. – 195 с.
REFERENCES
1. Xue, S., Yuan, L., Wang, J. [and others] (2015), «A coupled DEM and LBM model for simulation of
outbursts of coal and gas», International Journal of Coal Science and Technology, no. 2(1), pp. 22-29.
2. Zhou, A., Wang, K., Wang, L. [and others] (2015) «Numerical simulation for propagation characteris-
tics of shock wave and gas flow induced by outburst intensity», International Journal of Mining Science and
Technology, no. 25, pp. 107-112.
3. Paterson, L. (1986) «A model for outbursts in coal», International Journal of Rock Mechanics Mining
Science & Geomechanics, vol. 23, no. 4, pp. 327-332.
4. Lukinov, V.V., Krukovskiy, A.P. and Krukovskaya, V.V. (2007), «Simulation of coal and methane
outburst near the tectonic disturbances», Forum girnikiv-2007: Materiali mizhnarodnoyi konferentsiyi, Dne-
propetrovsk, UA, pp. 63-69.
5. Krukovskaya, V.V. (2015), «Simulation of coupled processes that occur in coal-rock massif during
mining operations», Geo-Technical Mechanics, no. 121, pp. 48-99.
6. Krukovskiy A.P. and Krukovskaya V.V. (2015), «Changing the geomechanical parameters of gas-
saturated coal-rock massif at the gas-dynamic phenomena», Geo-Technical Mechanics, no. 122, pp. 100-109.
7. Krukovskaya, V.V. (2006), «Preparation method of calculation of methane filtration parameters with
the account a mode of stressedly-deformed state of coal-rock mass», Ph.D. Thesis, 05.15.09, Institute of geo-
technical mechanics by N.S. Poljakov of National science academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, UA.
8. Krukovskaya, V.V. (20013), «The development of the coupled processes theory in the application to
geomechanics of coal-rock massif», D.Sc. Thesis, Institute of geotechnical mechanics by N.S. Poljakov of
National science academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, UA.
9. Zienkiewicz, O.C. and Taylor, R.L. (2000), The finite element method, Butterworth-Heinemann, DE,
vol. 1.
10. Vinogradov, V.V. (1989), Geomekhanika upravleniya sostoyaniem massiva vblizi gornykh vyrabotok
[Geomechanics Of The Massif State Control Near The Mine Workings], Naukova dumka, Kiev, SU.
11. Gadde, M., Rusnak, J., Honse, J. and Peng, S. (2007), «On Rock Failure Criteria for Coal Measure
Rocks», Proceedings of the 26 International Conference on Ground Control in Mining, Morgantown, WV.
12. Katalog vnezapnyih vyibrosov uglya i gaza na shahtah [Catalog of sudden coal and gas outbursts in
mines] (1989), Research Institute of Mining Geomechanics and Mine Surveying, Ukrainian Branch, Lenin-
grad, SU.
–––––––––––––––––––––––––––––––
Об авторе
Круковская Виктория Викторовна, доктор технических наук, старший научный сотрудник, ста-
рший научный сотрудник отдела управления динамическими проявлениями горного давления, Ин-
ститут геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ
НАНУ), Днепропетровск, Украина, igtm@ua.fm.
About the author
Krukovskaya Victoriya Victorovna, Doctor of Technical Sciences (D. Sc), Senior Researcher, Senior
Researcher in Department of Control of Dynamic Demonstrations of Rock Pressure, M.S. Polyakov Institute
of Geotechnical Mechanics under the National Academy of Sciences of Ukraine (IGTM, NASU), Dneprope-
trovsk, Ukraine, igtm@ukr.net.
–––––––––––––––––––––––––––––––
Анотація. З використанням методів математичного моделювання досліджено особливос-
ті формування порожнини руйнування при газодинамічних явищах, що відбуваються у вибої
гірничої виробки поблизу тектонічних порушень. Шляхом порівняння розрахункових і фак-
тичних даних щодо форми порожнини викиду проведена верифікація розробленої математи-
чної моделі сумісного перебігу нестаціонарних зв'язаних процесів пружно-пластичної дефо-
рмування тріщинувато-пористого середовища та фільтрації метану.
У статті наведено розподіли значень геомеханічних і фільтраційних параметрів в пору-
шеній зоні вугільного пласта в різні моменти часу протікання ГДЯ. Розглянуто різні варіанти
розподілу фізико-механічних властивостей порід покрівлі вугільного пласта. Показано, що в
mailto:igtm@ua.fm
mailto:igtm@ukr.net
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125
228
разі міцних, непорушених порід, що вміщують виробку, порожнина викиду розташовується в
межах вугільного пласта; вертикальний переріз порожнини руйнування має прямокутну фо-
рму з вигнутою торцевою частиною, горизонтальний – форму неправильного еліпсу. У разі,
коли фізико-механічні властивості порід так само, як і властивості вугілля, ослаблені побли-
зу тектонічного порушення, під час ГДЯ відбувається їх руйнування і винос породи разом з
вугіллям з утвореної порожнини.
Ключові слова: моделювання зв'язаних процесів, газодинамічний процес, форма порож-
нини руйнування, тектонічні порушення.
Abstract. Specific formation of destruction cavities at the gas-dynamic phenomena occurred in
the tunnel face near the tectonic faults were studied with the help of mathematical simulation meth-
ods. The designed mathematical model of joint behaviour of nonstationary coupled processes of
elasto-plastic deformation of porous fractured medium and methane filtration was verified by way
of comparing calculated and factual data on the shape of the outburst cavity.
Distribution of geomechanical and filtration parameter values in a disturbed coal seam zone in
different time points of the gas-dynamic phenomena are presented in the article. Different variants
of physical and mechanical properties distribution in the coal seam roof rock are considered. It is
shown that in case of strong, undisturbed surrounding rocks the outburst cavity is formed within the
coal seam; vertical section of the outburst cavity has a rectangular shape with a curved end, and hor-
izontal section has a shape of irregular ellipse. When physical and mechanical properties of sur-
rounding rocks as well as the coal properties are weakened near the tectonic fault, then during the
gas-dynamic phenomenon, the rocks are destructed and removed away from the generating cavity
together with coal.
Keywords: coupled processes simulation, gas-dynamic processes, shape of the outburst cavity,
tectonic faults.
Статья поступила в редакцию 5.12.2015
Рекомендовано к печати д-ром техн. наук С.П. Минеевым
|