Комплексные исследования геомеханического и газодинамического состояния углепородного массива
Наведено результати аналітичних і експериментальних досліджень напружено-деформованого стану масиву гірських порід при техногенному впливі. Встановлено критерійні умови виникнення газодинамічних явищ при очисних і прохідницьких роботах. Сформовано структуру автоматизованої системи моніторингу небезп...
Збережено в:
| Дата: | 2009 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
2009
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/18055 |
| 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: | Комплексные исследования геомеханического и газодинамического состояния углепородного массива / А.Д. Рубан, В.Н. Захаров // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2009. — № 5, ч. 1. — С. 327-334. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-18055 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Рубан, А.Д. Захаров, В.Н. 2011-03-16T21:58:54Z 2011-03-16T21:58:54Z 2009 Комплексные исследования геомеханического и газодинамического состояния углепородного массива / А.Д. Рубан, В.Н. Захаров // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2009. — № 5, ч. 1. — С. 327-334. — рос. 1996-885X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/18055 622.25:502.5 Наведено результати аналітичних і експериментальних досліджень напружено-деформованого стану масиву гірських порід при техногенному впливі. Встановлено критерійні умови виникнення газодинамічних явищ при очисних і прохідницьких роботах. Сформовано структуру автоматизованої системи моніторингу небезпеки газо- і геодинамічних явищ у шахтах. Herewith are presented the results of the analytic and experimental studies on stressed-deformed state of the rock mass under technological impact; established the criteria frameworks for the avalanche destruction risk of the rock mass under circumstances aforesaid; provided the structure for the computer-aided system supposed for the gas-and geodynamic effects monitoring within mines. ru Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України Комплексные исследования геомеханического и газодинамического состояния углепородного массива Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Комплексные исследования геомеханического и газодинамического состояния углепородного массива |
| spellingShingle |
Комплексные исследования геомеханического и газодинамического состояния углепородного массива Рубан, А.Д. Захаров, В.Н. |
| title_short |
Комплексные исследования геомеханического и газодинамического состояния углепородного массива |
| title_full |
Комплексные исследования геомеханического и газодинамического состояния углепородного массива |
| title_fullStr |
Комплексные исследования геомеханического и газодинамического состояния углепородного массива |
| title_full_unstemmed |
Комплексные исследования геомеханического и газодинамического состояния углепородного массива |
| title_sort |
комплексные исследования геомеханического и газодинамического состояния углепородного массива |
| author |
Рубан, А.Д. Захаров, В.Н. |
| author_facet |
Рубан, А.Д. Захаров, В.Н. |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| publisher |
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України |
| format |
Article |
| description |
Наведено результати аналітичних і експериментальних досліджень напружено-деформованого стану масиву гірських порід при техногенному впливі. Встановлено критерійні умови виникнення газодинамічних явищ при очисних і прохідницьких роботах. Сформовано структуру автоматизованої системи моніторингу небезпеки газо- і геодинамічних явищ у шахтах.
Herewith are presented the results of the analytic and experimental studies on stressed-deformed state of the rock mass under technological impact; established the criteria frameworks for the avalanche destruction risk of the rock mass under circumstances aforesaid; provided the structure for the computer-aided system supposed for the gas-and geodynamic effects monitoring within mines.
|
| issn |
1996-885X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/18055 |
| citation_txt |
Комплексные исследования геомеханического и газодинамического состояния углепородного массива / А.Д. Рубан, В.Н. Захаров // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2009. — № 5, ч. 1. — С. 327-334. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT rubanad kompleksnyeissledovaniâgeomehaničeskogoigazodinamičeskogosostoâniâugleporodnogomassiva AT zaharovvn kompleksnyeissledovaniâgeomehaničeskogoigazodinamičeskogosostoâniâugleporodnogomassiva |
| first_indexed |
2025-11-27T02:37:05Z |
| last_indexed |
2025-11-27T02:37:05Z |
| _version_ |
1850791836721872896 |
| fulltext |
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
327
УДК 622.25:502.5
КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО И ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО
СОСТОЯНИЯ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА
Рубан А. Д., Захаров В. Н.
(УРАН ИПКОН РАН, г. Москва, Россия)
Наведено результати аналітичних і експериментальних до-
сліджень напружено-деформованого стану масиву гірських порід
при техногенному впливі. Встановлено критерійні умови виник-
нення газодинамічних явищ при очисних і прохідницьких роботах.
Сформовано структуру автоматизованої системи моніторингу
небезпеки газо- і геодинамічних явищ у шахтах.
Herewith are presented the results of the analytic and experi-
mental studies on stressed-deformed state of the rock mass under
technological impact; established the criteria frameworks for the ava-
lanche destruction risk of the rock mass under circumstances afore-
said; provided the structure for the computer-aided system supposed
for the gas-and geodynamic effects monitoring within mines.
Установлено, что основное условие формирования в масси-
ве горных пород очагов, потенциально опасных по газо- и геоди-
намическим явлениям (ГДЯ и ГЯ), заключается в создании при-
родно-техногенных условий для проявления в призабойной зоне
массива эффекта накопления и быстрого сброса (высвобождения)
критических значений геоэнергии.
1. Напряженно-деформированное и газодинамическое со-
стояние приконтурной части угольного пласта. Диапазоны изме-
нения параметров напряженного состояния призабойной зоны
угольных пластов в опасных и неопасных зонах по эксперимен-
тальным данным представлены в таблице 1.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
328
Таблица 1
Диапазоны изменения параметров напряженного состояния
призабойной зоны угольных пластов
Зона/параметры К=σmax/σ0 lк(m=1-2 м) Grad σ
Опасная 1,8-4,7 1-3 1,2-2,5
Неопасная 1,2-1,5 4-9 0,3-0,8
Здесь lк, К=σmax/σ0, grad σ = σmax/σ0, lк – длина области спада
напряжений, коэффициент напряжений и градиент концентрации
напряжений в краевой части пластов, соответственно. Оценочные
расчеты по формуле (σср – средние напряжения в пласте, Е – мо-
дуль упругости угля) показывают, что упругая энергия в опасных
зонах соответственно возрастает в 3-10 раз.
Эффект задержки деформаций и возрастания концентрации
напряжений в призабойной части массива чаще всего наблюдает-
ся при ведении горных работ в зоне мелкоамплитудных наруше-
ний, из-за изменения вида напряженного состояния, характери-
зуемого соотношением С главных напряжений: σ1 – максималь-
ного и σ3 – минимального С=σ3/σ1. Увеличение σ3 вследствие за-
трудненного деформирования пласта в сторону забоя резко уве-
личивает прочность угля и формирует зоны повышенного горно-
го давления (ПГД).
Исследование критериев прочности и процессов разрушения
углей при формировании выбросоопасной и удароопасной ситуа-
ции выполнено в условиях объемного неравнокомпонентного на-
пряженного состояния (σ1 > σ2 = σ3), моделирующих призабой-
ную зону массива. При высоких значениях бокового сжатия -
σ3 > 13÷18 МПа (кривые 7-8 на рис. 1) запредельные кривые де-
формирования становятся горизонтальными (модуль спада µ≈0),
а предел прочности σ1max и остаточная прочность σ∗ совпадают. В
этом случае разрушение происходит практически только путем
сдвига - σ∗ = τθ = (σ1 - σ3)/2. При относительно невысоком уровне
бокового сжатия σ3 < 5÷7 МПа, (кривые 2-6, рис. 1) запредельные
кривые имеют хорошо выраженную ветвь спада напряжений σ1,
предел прочности существенно превышает остаточную проч-
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
329
ность, а разрушение носит хрупко-пластичный характер, пре-
имущественно путем отрыва.
Рис. 1. Полные диаграммы «напряжения (осевая нагрузка) –
деформация» σ1(S) - ε при различном боковом сжа-
тии (σ3 = 0-15,0 МПа) и насыщении метаном при
давлении (Р = 0-3 МПа) для угля II – III степени тек-
тонической нарушенности
Таким образом, определено условие разрушения углей в
объемном напряженном состоянии - σ3/σ1 = C ≤ 0,35. При
С > 0,35 разрушение не происходит и возможен процесс роста
концентрации напряжений. При насыщении угля метаном под
давлением Р = 1÷3 МПа (кривые 2 - 5, 8, рис. 1) и сохранении
давления газа в процессе эксперимента характер разрушения не-
сколько изменяется, величина критерия снижается до
σ'
3/σ'
1 = C ≤ 0,30, где σ'
3 и σ'
1 – так называемые «эффективные»
напряжения, учитывающие трещинно-поровое давление газа.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
330
Экспериментально установлено, что критериальными усло-
виями, определяющими возможность возникновения лавинного
разрушения, являются следующие:
– запас реализуемой удельной потенциальной геоэнергии
(упругой энергии сжатия угля при горных ударах и суммы упру-
гой энергии сжатия и энергии выделяющегося газа при внезап-
ных выбросах угля и газа) должен быть выше 2-3 МДж/м3.
– характерная скорость сброса бокового напряжения не
должна быть ниже 1-3 МПа/с.
При исследовании термодинамических условий разрушения
газонасыщенного угля в призабойной зоне угольного пласта осе-
вая нагрузка на образец σ1 создавалась независимо от боковой на-
грузки σ3. Регистрировалась диаграмма осевая нагрузка - осевая
деформация, а также боковое напряжение σ2=σ3, давление газа Р
и изменение температуры образца (рис. 2).
Рис. 2. Диаграмма зависимости «напряжение – деформа-
ция – температура» в условиях объёмного сжатия
Разрушение образца проводилось при боковой нагрузке
σ2=σ3=10 МПа и давлении газа 3,2 МПа.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
331
Температура угольного образца начинает заметно повы-
шаться при достижении σ1 = 0,7-0,8 предела прочности угля σ1max
в условиях объемного сжатия, что соответствует началу частич-
ного трещинообразования (дилатансии). По диаграмме «напря-
жение-деформация» определялась энергия на стадиях упругого и
упруго-пластического деформирования.
Эксперименты показали, что в разрушающемся образце мо-
жет происходить «дополнительная» сорбция метана углем в ре-
зультате механохимических процессов, сопровождающих разру-
шение угля. Когда максимальное напряжение сжатия изменялось
в диапазоне от 30 до 60 МПа, температура угля возрастает на
2-5° С, что свидетельствует о протекании механохимических
процессов в угле и образовании «дополнительного» метана, рас-
четное количество которого составляло в условиях лабораторно-
го эксперимента до 2,5 см3/г.
2. Акустика призабойной части массива горных пород.
Влияние зоны ПГД на АЧХ виброакустических колебаний при
техногенном воздействии на массив выражается в виде перерас-
пределения колебательной энергии между отдельными состав-
ляющими спектра (рис. 3). АЧХ регистрируемых колебаний фор-
мируется исходным горно-геологическим строением углепород-
ного массива и местоположением по отношению к горным рабо-
там зоны ПГД.
Рис. 3. АЧХ колебательного процесса при различном распо-
ложении зоны ПГД
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
332
По мере углубления горных работ в зону ПГД высокочас-
тотная составляющая АЧХ закономерно растет значительно бы-
стрее низкочастотной, в некоторый момент опережает ее и разде-
ляется на две группы колебаний в диапазонах 550-850 Гц и 850-
1100 Гц. Установленные закономерности предоставляют методи-
ческую возможность формирования аппарата информативных
параметров и критериев прогнозирования выбросоопасности мас-
сива в режиме реального времени.
3. Оценка выбросоопасности массива. Соотношение между
глубиной заходки при выемке и длиной зоны разгрузки впереди
забоя, определяемое параметром l0/lk, влияет на устойчивость
призабойной зоны пласта и играет решающую роль в формиро-
вании выбросоопасной ситуации. Размеры зоны разгрузки крае-
вой части пласта lk впереди движущегося забоя, необходимой для
предотвращения ГДЯ, определяются по формуле:
lk=(Wг+0,33Wу)l0/0,18. (2)
Безопасная скорость забоя (глубина выемки) в зависимости
от степени потенциальной выбросоопасности пласта определяет-
ся по графику рис. 4.
Рис. 4. График определения безопасной сменной скорости
подвигания забоя (глубины выемки) в зависимости
от степени потенциальной выбросоопасности пласта
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
333
4. Оценка потенциальной опасности по ГДЯ участков
угольных пластов. Потенциальная (природная) опасность пласта
по ГДЯ оценивается суммой энергии горного давления и эффек-
тивной энергии газа, содержащихся в угольном пласте и опреде-
ляется критерием:
Вп = (Wг + 0,33Wу) - 0,18 (3)
где: Wг - эффективная энергия газа, заключенная в угольном
пласте, МДж/м3;
При Вп < 0 угольный пласт является неопасным по ГДЯ, при
Вп ≥ 0 опасным.
Для определения геомеханической энергии (Wг, Wу) и при-
родной опасности угольных пластов по ГДЯ в качестве исходных
используются стандартные геологоразведочные данные: Х - газо-
носность угольного пласта, м3/т; глубина пластопересечения Н,
м; данные кавернометрии в месте пересечения пласта скважиной,
dmax, dmin, dскв, мм; температура пласта, t0C; данные технического
анализа угля: выход летучих Vdaf, зольность угля А и влажность
W, %.
Для Кузбасса получена эмпирическая зависимость, которая
позволяет производить расчет энергии газа Wг экспресс-методом
по формуле
Wг = (9,3⋅Х-0,01) ⋅Х⋅ b30⋅d (4)
ГДЯ на шахтах возникают с глубины разработки, где сум-
марная геоэнергия пласта (Wг + Wу) достигает уровня, превосхо-
дящего 0,4 МДж/м3 и обеспечивающего лавинное самоподдержи-
вающееся разрушение.
5. Оценка выбросоопасности забоев очистных и подготови-
тельных выработок с учетом скорости их подвигания. Выбросо-
опасность очистных и подготовительных забоев горных вырабо-
ток определяется потенциальной (природной) выбросоопасно-
стью разрабатываемого пласта ВП = f(Wг, Wу), а также глубиной
выемки или сменным подвиганием забоя l0 и величиной зоны
разгрузки и дегазации в призабойной части пласта lk. Для оценки
влияния технологии на опасность возникновения газодинамиче-
ских явлений в формулу Вп = (Wг + 0,33Wу) - 0,18 вводится без-
размерный технологический параметр l0/lk, который характеризу-
ет устойчивость краевой части пласта в момент подвигания забоя.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
334
Оценка опасности по ГДЯ забоев горных выработок с уче-
том параметров технологии выемки угольного пласта произво-
дится по критерию:
B = (Wг + 0,33Wу) . l0/lk - 0,18 (5)
где l0 - сменная скорость подвигания забоя (м/смену) или
глубина заходки (м);
lk - величина зоны разгрузки и дегазации в призабойной час-
ти пласта (м).
При В < 0 забой горной выработки не опасен, при В ≥ 0 за-
бой выбросоопасен.
В соответствии с вышеизложенным, стратегия управления
состоянием массива горных пород для предотвращения ГДЯ
должна основываться на том, что их первопричина – геомехани-
ческие процессы, происходящие на макро- и мезоуровнях. По-
этому для предотвращения ГДЯ и интенсификации газоотдачи
угольных пластов необходимы соответствующие технологии
контроля и управления геомеханическими процессами.
6. Автоматизированная система комплексного геофизиче-
ского и геомеханического мониторинга опасности газодинамиче-
ских явлений в шахтах. Проблема прогноза и контроля ГДЯ в вы-
сокопроизводительных шахтах рассматривается как задача про-
гноза устойчивости природно-технической системы “массив гор-
ных пород – техногенное воздействие» и решается на основе
комплексного подхода, объединяющего методы контроля и про-
гноза опасности динамических явлений с ГИС. Этот подход реа-
лизован в разработанной ИПКОН РАН автоматизированной сис-
теме прогнозирования опасности ведения горных работ по фак-
тору риска ГДЯ и ГЯ. АС реализует методику комплексного кон-
троля и прогноза в соответствии с выше изложенным, имеет
блочно-модульный принцип построения и формируется из четы-
рех основных подсистем (блоков): сейсмоакустический контроль
напряженно-деформированного состояния и разрушения прикон-
турной части массива; сейсмический контроль напряженно-
деформированного состояния выемочного участка и шахтного
поля; контроль газодинамической активности приконтурной час-
ти массива; геомеханический прогноз, диагностика и оценка
опасности ГДЯ.
|