Патент на изобретение №2310757

(54) СПОСОБ ПРОГНОЗА ВЫБРОСООПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при прогнозировании выбросоопасных зон угольных пластов при ведении геологоразведочных и горных работ. Способ прогноза выбросоопасности угольных пластов включает бурение разведочных скважин, построение гипсометрических карт по данным разведочного бурения. В процессе ведения горных работ проводят эксплуатационную доразведку угольного пласта и с использованием полученных данных рассчитывают и строят объемную поверхность рельефа залегания угольного пласта. По знакам главных кривизн рельефа выделяют на нем выпуклые, вогнутые и седлообразные участки. Создают карту геометрической суммы главных кривизн рельефа как критериев его сложности в пределах шахтного поля, определяют опасные значения критерия сложности К₀ на ранее отработанных участках различных форм и выделяют потенциально опасные зоны, в которых геометрическая сумма главных кривизн рельефа залегания пласта в рассматриваемой точке КК₀. Предлагаемый способ прогноза выбросоопасности угольных пластов, полученный не только в период геологической, но и эксплуатационной доразведки, определяет критерий оценки рельефа залегания пластов, позволяет достоверно определять расположение аномальных зон повышенных проявлений природного (тектонического) происхождения, что обеспечивает повышение эффективности и безопасности добычи угля. 2 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при прогнозировании выбросоопасных зон угольных пластов при ведении геологоразведочных и горных работ.

Известен способ прогноза выбросоопасности пород Донбасса, согласно которому бурят разведочные скважины, определяют визуальный осмотр кернового материала, определяют отбор песчаника и при наличии в керне песчаников дисков, по пробам, определяют: временное сопротивление растяжению, пористость и другие показатели по стандартным методикам, сопоставляют величины показателей, характеризующих свойства песчаников выбросоопасного и невыбросоопасного пластов по критерию выбросоопасности, который определяют как среднее арифметическое критериев выбросоопасности для двух групп показателей (Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы, газа. М., 1989 г, с.117-121).

Описанный способ можно использовать только при локальном прогнозе выбросоопасности, то есть при проведении подготовительной выработки по выбросоопасному песчанику. Зона действия такого прогноза определяется длиной пробуренных из подготовительного забоя скважин. На стадии проектирования и составления паспорта проведения этой выработки использовать способ не представляется возможным.

Наиболее близким аналогом изобретения, что заявляется, является способ прогноза участков пластов, опасных по выбросам угля и газа (а.с. СССР №1544988, кл. E21F 5/00, опубл. 23.02.1990 г.). Этот способ включает бурение разведочных скважин, построение структурных карт по данным разведочного бурения и измерения на выделенных участках структурных карт участков длин изогипс и кротчайших расстояний между концами каждой изогипсы в пределах участка, нахождение коэффициента пликативной сложности участка по математической формуле, а также определение комплексного коэффициента тектонической сложности участка в зависимости от коэффициента дизъюнктивной сложности, коэффициента пликативной сложности и углового коэффициента сложности участка.

Общими существенными признаками известного способа и технического решения, что заявляется, являются: бурение разведочных скважин; построение гипсометрических карт по данным разведочного бурения; последующее ведение горных работ.

Недостатком прототипа, снижающим его надежность и достоверность, является использование структурных карт, построенных по данным только разведочного бурения. На практике установлено, что точность определения координат точек подсечки пласта разведочными скважинами очень низка (погрешность ±30 м). Точность эксплуатационной доразведки значительно выше (погрешность маркшейдерских замеров ±1 м). В связи с этим для шахт, которые уже ведут горные работы, имеется реальная возможность построения более точных карт геометрических параметров залегания разрабатываемых угольных пластов. Это позволит существенно повысить достоверность прогнозирования. Кроме того, недостаток прототипа состоит и в неверно выбранных критериях прогнозирования. В частности, коэффициент пликативной сложности К_пл не имеет четкого физического смысла, а главное, он не связан с напряженно-деформированным состоянием горного массива, уровень которого предопределяет выбросоопасность. С другой стороны, из фундаментальных положений теории упругости известно, что при изгибе толстых плит, т.е. породных слоев, слагающих массив, дополнительные горизонтальные напряжения зависят от параметров их упругих свойств (Е, ) и главных кривизн поверхности рельефа K₁ и К₂ в рассматриваемой точке. Очевидно, что именно эти параметры необходимо использовать при прогнозировании.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа прогноза выбросоопасности угольных пластов, в котором за счет новых технологических операций и параметров обеспечивается достоверное определение расположения аномальных зон повышенных проявлений природного (тектонического) происхождения, что позволяет повысить эффективность и безопасность добычи угля.

Поставленная задача решается за счет того, что способ прогноза выбросоопасности угольных пластов, включающий бурение разведочных скважин, построение гипсометрических карт по данным разведочного бурения и последующие ведения горных работ, согласно изобретению в процессе ведения горных работ проводят эксплуатационную доразведку угольного пласта и с использованием полученных данных рассчитывают и строят объемную поверхность рельефа залегания угольного пласта, по знакам главных кривизн рельефа выделяют на нем выпуклые, вогнутые и седлообразные участки, создают карту геометрической суммы главных кривизн рельефа как критериев его сложности в пределах шахтного поля, определяют опасные значения критерия сложности К₀ на ранее отработанных участках различных форм и выделяют потенциально опасные зоны, в которых геометрическая сумма главных кривизн рельефа залегания пласта в рассматриваемой точке КК₀.

Сущность способа прогноза выбросоопасности угольных пластов поясняется схемами фиг.1 и 2. На фиг.1 представлена карта изменения кривизны К₀ по площади шахтного поля пласта m₃ шахты им. В.М.Бажанова с расположением вогнутых зон 1; седлообразных зон 2 и выпуклых зон 3; изолиний 4 кривизн К₀; границы выработанного пространства 5; границы шахтного поля 6; зон выбросов 7. На фиг.2 – шахтопласт, представленный на фиг.1 с нанесенными опасными зонами 8.

Способ осуществляется следующим образом, пример.

Реализацию предлагаемого способа производили применительно к условиям пласта m₃ шахты им. В.М.Бажанова.

Как известно, до строительства шахты выполняются геологоразведочные работы, заключающиеся в бурении скважин в горный массив с земной поверхности по определенной сетке, и определяются геометрические параметры залегания пласта, его мощность в точках подсечки, качественный состав угля. После этого строится гипсометрический план угольного пласта, выполняется расчет запасов и по известным рекомендациям определяется проектная мощность будущей шахты. Недостатком этого этапа (цикла) работ является низкая точность геометризации пласта, обусловленная большими погрешностями определения координат точек подсечки пласта скважинами (х, y, z). В результате этого гипсометрический план недостаточно точно отражает реальный рельеф залегания. Это ведет к большим ошибкам в определении запасов и в определении месторасположения изогипс.

После строительства шахты начинается этап ведения горных работ по пласту. При этом в подготовительных выработках выполняются замеры координат опорных точек маркшейдерской сети. Эти замеры имеют значительно меньшую погрешность (примерно в 10 раз), чем данные геологоразведки. В связи с этим на их основе можно существенно уточнить рельеф залегания разрабатываемого угольного пласта. При этом чем большие запасы отработала шахта по данному шахтопласту, тем большее количество точных замеров накапливается маркшейдерской службой. Так, для пласта m₃ шахты им. В.М.Бажанова общее число опорных точек маркшейдерской сети составляет 195, а число пересечений пласта скважинами – всего 38.

Указанные 233 точки использовали для построения объемной поверхности рельефа залегания разрабатываемого шахтопласта. Для этого применяли известный метод аппроксимации искомой поверхности степенными полиномами Чебышева. Определение коэффициентов полиномов, описывающих рельеф конкретных шахтопластов, выполняли методом наименьших квадратов. Определение оптимальной степени полиномов производили методом подбора с последующей минимизацией средней приведенной ошибки координаты z моделирования рельефа в опорных точках. Для выполнения этой процедуры разработана специализированная программа «Степень». С ее использованием было установлено, что в общем случае оптимальная степень аппроксимирующих полиномов зависит от сложности рельефа залегания, т.е. от пликативной и дизъюнктивной нарушенности угольного пласта в пределах площади шахтного поля. Для условий нашего примера оптимальная степень полинома составила 7. Общий вид полинома следующий:

z(x,y)=1,72349х⁰у⁰-18,7548х⁰y¹+162,1338х²y²+626,1384х⁰у³1281,2162х⁰y⁴-1583,8248х⁰у⁵+1239,0057х⁰y⁶-544,5495х⁰у⁷+84,6097х⁰y⁸-15,0247х¹у⁰-0,8956х¹y¹-398,7724x¹у²+2168,9832х¹y³-3966,6828x¹у⁴+3380,3291х¹y⁵-1633,3098х¹у⁶+528,8070х¹у⁷+156,9748х²у⁰+361,4153х²y¹-1056,1910х²y²-1491,2152х²у³+4427,2826х²у⁴-2412,0196х²y⁵-331,0894х²у⁶-905,9009х³у⁰-479,8104х³у¹+4514,1656х³y²-2799,7778х³у³-1877,1840х³у⁴+2664,8892х³y⁵+2616,8078х⁴у⁰-476,3594х⁴у¹-4989,1687х⁴у²+4402,1469х⁴у³-2783,6558х⁴y⁴-3933,7184 х⁵у⁰+4084,3229х⁵у¹+1679,1834х⁵у²+804,7801х⁵у³+6399,6632х⁶у⁰-15084,4750х⁶y¹-11783,6735х⁶у²-3353,9423х⁷у⁰+8090,7653х⁷у¹+116,8949х⁸у⁰

Имея формулу поверхности рельефа залегания угольного пласта, можно приступить к его построению и визуализации на компьютере. Для этого использовали известный метод сеток и стандартное программное обеспечение, например систему AutoCAD. С целью автоматизации и ускорения процесса нами была разработана специализированная программа «Рельеф».

Уравнение функции рельефа залегания z=f(x,y) позволяет с использованием известных подходов и методик рассчитывать значения и определять знаки главных кривизн поверхности пласта в любой точке шахтного поля. Их величины предопределяют уровень действующих в массиве напряжений, а знаки – форму рельефа залегания пласта на конкретных участках. Исследования и эксперименты показали, что именно эти два фактора являются наиболее важными при прогнозировании выбросоопасности.

На основе анализа знаков главных кривизн по известным рекомендациям можно выделять три вида форм рельефа залегания: выпуклую (K₁<0, K₂<0) – 3, вогнутую (K₁>0, К₂>0) – 1 и седлообразную (K₁>0, К₂<0 или K₁<0, К₂>0) – 2. С точки зрения механики наиболее опасной является седлообразная деформация участка, при которой возникают максимальные касательные (разрушающие) напряжения в системе за счет разнонаправленности действия нормальных нагрузок. Наименее опасна, безусловно, вогнутая форма, характеризующаяся преимущественно сжатием в плоскости залегания пласта. Выпуклые участки занимают в этом плане промежуточное положение.

Как показали теоретические и натурные исследования, критерием выделения опасных зон в пределах площади шахтного поля является геометрическая сумма главных кривизн в точке, определяемая по следующей формуле:

Этот показатель в неявном виде входит в качестве аргумента (переменной) в уравнение связи напряжений и деформаций при изгибе толстых упругих плит, является инвариантом деформаций изгиба, а значит, связывает параметры рельефа залегания с напряженно-деформированным состоянием горного массива. Таким образом, на основе его анализа можно судить в первом приближении о неравномерностях распределения исходного силового поля во вмещающих угольный пласт породах.

Анализ карты (фиг.1) показывает, что в пределах шахты им. В.М. Бажанова складчатость выражена довольно слабо. Так, примерно на 85% площади поля величина критерия К₀ изменяется всего от 0 до 0,05 км^-1. Зоны повышенной кривизны (К₀=0,1-0,5 км^-1) оконтуривают относительно узкой полосой (300-500 м) верхнюю и боковые границы шахтопласта. Причем одна является зоной его перегиба между шахтами «Чайкино» и им. В.М.Бажанова, а остальные примыкают к крупным геологическим нарушениям. Анализ карты К₀ показывает, что пликативная нарушенность поля в целом небольшая. Следовательно, вероятность наличия в массиве аномалий тектонического происхождения и выбросоопасных зон невысока.

Следующим этапом реализации способа является определение опасных значений кривизны К₀. Для этого на карту критерия, изображенную на фиг.1, наносили точки, в которых ранее при ведении горных работ произошли газодинамические явления. Затем определяли значения К₀ в этих точках и выполняли анализ этих значений. В результате было установлено, что при отработке пласта m₃ с 1964 года произошло всего 29 выбросов: 4 на седлообразных участках 2,14 на вогнутых 1 и 11 на выпуклых 3. На выпуклых участках выбросы происходили в зонах, где значение кривизны К₀ ^вып превышало величину 0,4 км^-1. На вогнутых участках – если К₀ ^вогн0,25 км^-1, а на седлообразных – если К₀ ^с0,05 км^-1. Таким образом, при дальнейшей отработке пласта m₃ к опасным по выбросам можно с высокой достоверностью относить участки 7, где кривизна рельефа залегания превышает указанные значения. Установлено также, что соотношение опасных значений кривизны К₀ для участков различной формы хорошо согласуется с известными из механики закономерностями в деформируемых средах.

Значения опасной кривизны рельефа залегания К₀ ^вып, К₀ ^вогн и K₀ ^с позволяют прогнозировать месторасположение особо выбросоопасных зон 8 на участках шахтного поля 6, планируемых к выемке в будущем. Карта рассмотренного в примере (фиг.1) шахтопласта с нанесенными опасными зонами 8 представлена на фиг.2.

Предлагаемый способ прогноза выбросоопасности угольных пластов, полученный не только в период геологической, но и эксплуатационной доразведки, определяет критерий оценки рельефа залегания пластов, позволит достоверно определять расположение аномальных зон повышенных проявлений природного (тектонического) происхождения, что обеспечивает повышение эффективности и безопасности добычи угля.

Формула изобретения

Способ прогноза выбросоопасности угольных пластов, включающий бурение разведочных скважин, построение гипсометрических карт по данным разведочного бурения и последующие ведения горных работ, отличающийся тем, что в процессе ведения горных работ проводят эксплуатационную доразведку угольного пласта и с использованием полученных данных рассчитывают и строят объемную поверхность рельефа залегания угольного пласта, по знакам главных кривизн рельефа выделяют на нем выпуклые, вогнутые и седлообразные участки, создают карту геометрической суммы главных кривизн рельефа как критериев его сложности в пределах шахтного поля, определяют опасные значения критерия сложности К₀ на ранее отработанных участках различных форм и выделяют потенциально опасные зоны, в которых геометрическая сумма главных кривизн рельефа залегания пласта в рассматриваемой точке КК₀.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 24.09.2007

Извещение опубликовано: 20.05.2009 БИ: 14/2009