Разработка метода прогноза геодинамических явлений в угольных пластах с учетом влажности шахтной атмосферы

Актуальность работы. В настоящее время перед горной наукой и практикой стоит проблема повышения безопасности производства. Наибольшее количество аварий и травм, согласно статистике, происходит в шахтах в результате обрушений пород и других геодинамических явлений. Для защиты от них необходимо знать возможные места проявления природных и техногенных явлений разрушительного характера в угольных пластах (опасные зоны) [1,2], что требует дальнейшего изучения причин и закономерностей возникновения этих опасных явлений с целью научного обоснования принципов и способов обеспечения геодинамической безопасности на шахтах.

Для решения проблемы повышения безопасности горного производства становится очевидной необходимость совершенствования методов и средств оценки исходного механического состояния углепородного массива с последующим принятием необходимых решений по увеличению работоспособности горных выработок. Сложность установления реального состояния массива еще совсем недавно не позволяла сформулировать не только практические, но и методические аспекты изучения дисциплины, которая сегодня называется управление состоянием горных пород. В последние 20−30 лет в связи с развитием вычислительной техники, автоматики, телемеханики и на этой основе экспериментальной техники диагностики наука о состоянии горных массивов получила новое стремительное развитие. В этом большая заслуга отечественных ученых, внесших значимый вклад в изучение состояния горных массивов, таких как С. Г. Авершин, Б. И. Бокий, А. А. Борисов, А. С. Бурчаков, Ф. П. Бублик, Г. И. Грицко, Е. С. Ержанов, Г. Н. Кузнецов, С. Т. Кузнецов, Ю. М. Либерман, А. М. Линьков, В. И. Мурашев, М. М. Протодьяконов, И. М. Петухов, К. В. Руппенейт, В. Д. Слесарев, В. Ф. Трумбачев, В. Н. Фрянов, П. М. Цимбаревич, И. Л. Черняк, В. В. Ходот, В. Н. Захаров, О. Н. Малинникова и многих других. По мере углубления изучения проблемы оценки состояния массива, усложняются расчетные модели, увеличивается и число новых факторов, которые должны приниматься во внимание и учитываться, поскольку при расчете НДС горного массива особое значение приобретают вновь выявленные и ранее не учитывавшиеся эффекты, которые в совокупности приводят к понятию горное давление.

Одним из факторов, влияющих на текущее напряженное состояние углепородного массива, является изменение естественной влажности [3−6] угольного массива в приконтурных частях выработок во времени. Изменение 4 влажности массива происходит в силу различных причин [7], зависит от условий обводненности выработок, сезонных колебаний температуры и влажности шахтной атмосферы [8−11], от управления режимами проветривания и другим причинам. В связи с этим исследование влияния влажности шахтной атмосферы на прочностные свойства массива с целью повышения геодинамической безопасности ведения горных работ представляется актуальным.

Цель работы — разработка метода прогноза геодинамических явлений в угольных пластах, обеспечивающего выявление детального распределения напряженного состояния углепородного массива и его перераспределение во времени в окрестности выработок с учетом влажности шахтной атмосферы на основе пространственного моделирования процессов геомеханики, для повышения безопасности горного производства.

Идея работы заключается в установлении и использовании зависимостей влияния изменения естественной влажности углей при проветривании горных выработок на НДС углепородного массива для прогноза геодинамических явлений в угольных пластах.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов научных исследований, включающий:

— натурные исследования влияния влажности шахтной атмосферы на изменение влажности углей в окрестности горных выработок во времени;

— лабораторные исследования влияния влажности угля во время сушки на его диаграммы деформирования по разработанной методике определения интервала «критической влажности» ;

— метод для установления корректирующей функции в области «критической влажности» углей;

— аналитические и численные методы математического моделирования проявлений горного давления на базе геомеханики с учетом изменения естественной влажности каменных углей во времени с использованием пространственных моделей, определяющих соотношений Генки — Ильюшина и метода последовательных приближений Биргера.

Основные научные положения, разработанные соискателем, и их новизна.

1. Для углей различных стадий метаморфизма существует интервал «критической влажности» угля, где при снижении влажности имеет место градиентное изменение его физико-механических характеристик до уровня ± 40%.

2. Использование корректирующей функции позволяет получить связь напряжений с деформациями из исходной диаграммы деформирования угля с естественной влажностью для любого другого уровня влажности угля при изменении ее во времени с учетом области «критической влажности», соответствующей интервалу накопления энергии упругих деформаций.

3. Достоверный метод прогноза геодинамических явлений в угольных пластах при действии гравитационной нагрузки с учетом изменения естественной влажности угля за счет испарения, базирующийся на основе пространственного моделирования геомеханических процессов в массиве горных пород, обеспечивающий вычисление детального распределения напряженного состояния углепородного массива и его перераспределения во времени в окрестности выработок, требует использования корректирующей функции, функционала Лагранжа и его дискретизации по методу конечных элементов.

4. Во время проветривания горных выработок при изменении естественной влажности углей до интервала «критической влажности» происходит перераспределение напряженного состояния массива у их бортов, у очистного забоя, в местах их сопряжений, что ведет к увеличению потенциальной энергии углепородного массива и скорости ее освобождения и увеличивает вероятность возникновения горного удара.

5. Для предотвращения возникновения аварийных ситуаций природного и техногенного характера необходимо на стадии проектирования или перед началом отработки выемочного участка проводить оценку геодинамической безопасности с учетом влажности шахтной атмосферы, а также вести постоянный контроль относительной влажности воздуха, подаваемого на выемочные участки, с применением мероприятий, не допускающих снижения естественной влажности угольного массива до области «критической влажности» в пределах защитной зоны.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются:

— высоким уровнем объективности результатов прогноза геомеханического состояния углепородного массива, следующего из многовариантного и корректного сопоставления результатов расчетов по разработанным методикам и алгоритмам с данными отечественных и зарубежных авторов (расхождение не более 1% относительной ошибки);

— удовлетворительным уровнем объективности экспериментальных результатов (более 600 экспериментов на образцах, коэффициент вариации значений механических характеристик не превышает 15%);

— положительными результатами шахтных исследований, свидетельствующими о существовании процесса изменения влажности угольного массива у бортов выработок во время проветривания.

Научное значение диссертации состоит «разработке метода прогноза геодинамических явлений в угольных пластах, обеспечивающего вычисление детального распределения напряженного состояния углепородного массива и его трансформацию во времени в окрестности выработок с учетом влажности шахтной атмосферы на основе пространственного моделирования процессов геомеханики, для принятия инженерных решений по уменьшению концентрации напряжений в различных конструктивных элементах угольных шахт.

Практическая значимость диссертации. Разработана методика, позволяющая на основе использования многопараметрических пространственных моделей трансформации во времени НДС вокруг горных выработок повысить точность, надежность, достоверность конечных результатов, выполнять анализ и прогноз геодинамических ситуаций на стадии проектирования или перед началом отработки выемочного участка, что обеспечит существенное повышение геодинамической безопасности шахт.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IV межрегиональной научно-практической конференции с международным участием «Инновации в угольной отрасли и экономике Кузбасса» (г. Белово, 2011) — на II Международной научно-практической конференции «Динамика научных исследований — 2011» (Украина, г. Днепропетровск, 2011) — на научно-технических семинарах «НЦ ВостНИИ» (г. Кемерово, 2012) — V международной научной конференции «Инновации в технологиях и образовании» (г. Белово, 2012) — заседаниях экспертной группы по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса -2011» (14−15 ноября 2011 г., г. Кемерово) — заседаниях научно-технического семинара при ОАО «НЦ ВостНИИ» (12 декабря 2012 г., г. Кемерово), заседаниях экспертной комиссии по подведению итогов конкурса «Лучший городской инновационный проект» (20 января 2012 г., г. Кемерово).

Реализация работы: установленное нелинейное изменение объема, вызывающее внутренние напряжения в микропористой структуре угля в области «критической влажности», использовано при выполнении государственного контракта «Разработка новой технологии активации угля для теплоэнергетики, обеспечивающей сокращение удельного расхода угля и снижение количества экологически опасных золошлаковых отходов»;

— установленное нелинейное изменение объема, вызывающее увеличение химической активности в области «критической влажности», использовано при разработке НЦ ВостНИИ нормативного документа — «Методика измерений инкубационного периода самовозгорания угля»;

— разработанный метод используется на предприятии ООО «НПП Система промышленной безопасности».

Публикации. Результаты исследования опубликованы в 12 научных трудах, 7 из которых напечатаны в научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 4 главы, введение, заключение, 16 таблиц и 149 рисунков, список использованной литературы из 80 наименований, 1 приложение.

Выводы.

1. Установлено, что во время проветривания горной выработки в течение 18 суток происходит осушение угольного массива от ее бортов и снижение естественной влажности угля до глубины в 2 м.

2. При упругопластическом деформировании и одновременном учете корректирующей функции в результате снижения естественной влажности углей в сопряжении очистного забоя и выработки в период от 6 до 14 суток проветривания проявляется влияние «критической влажности» -локально увеличиваются упругопластические свойства угля, снижаются значения вертикальных напряжений на обнажении выработки, увеличивается конвергенция кровли, что влечет за собой резкое изменение баланса общей потенциальной энергии, увеличение концентрации энергии в зоне с повышенными значениями ФМХ угля, изменение распределения вертикальных сжимающих напряжений. Процесс снижения естественной влажности угольного массива до области «критической влажности» ведет к увеличению показателя удароопасности Ду и является одним из многих факторов, повышающих вероятность возникновения мощного динамического явления — горного удара.

3. Для предотвращения возникновения аварийных ситуаций природного и техногенного характера необходимо на стадии проектирования или перед началом отработки выемочного участка проводить оценку геодинамической безопасности при помощи разработанного метода прогноза геодинамических явлений в угольных пластах, склонных к горным ударам, с учетом влажности шахтной атмосферы, а также вести постоянный контроль относительной влажности воздуха, подаваемого на выемочные участки, с применением мероприятий, не допускающих снижения естественной влажности угольного массива до области «критической влажности» в пределах защитной зоны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной для угольной отрасли задачи — разработки метода прогноза геодинамических явлений в угольных пластах с учетом влажности шахтной атмосферы, изменяющейся во времени, обеспечивающего повышение геодинамической безопасности подземной угледобычи за счет поддержания относительной влажности воздуха выше интервала «критической влажности» .

Основные научные результаты и выводы, полученные лично автором:

1. В шахтах в результате геодинамических явлений и других опасных факторов происходит, согласно статистике, наибольшее количество аварий и травм. Для защиты от них необходимо знать возможные опасные зоны проявления природных и техногенных явлений разрушительного характера. Для этого необходимо дальнейшее изучение причин и закономерностей возникновения этих опасных явлений с целью научного обоснования принципов и способов обеспечения геодинамической безопасности на шахтах.

2. Установлен интервал «критической влажности» угля для различных стадий его метаморфизма во время сушки, представляющий собой интервал влажности, в котором локально и волнообразно увеличиваются значения предела прочности при сжатии до 40%, коэффициента дробимости до 30%, модуля упругости до 25%, модуля деформации до 35%, коэффициента Пуассона до 3%, коэффициента поперечной деформации до 8%. При этом снижаются значения относительного изменения объема до 0,7% и предела прочности при растяжении до 40%.

3. Изменение ФМХ углей при изменении естественной влажности обусловлено возникновением внутренних напряжений, возникающих в результате различной деформации, усадки пористой структуры угля (аморфной среды) и кристаллической. Использование корректирующей функции, а = М позволяет получить связь напряжений с деформациями из исходной диаграммы деформирования при изменении естественной влажности угля во времени с учетом области «критической влажности», соответствующей интервалу накопления энергии упругих деформаций.

4. Метод анализа напряженно-деформированного состояния углепородного массива сложного строения при действии гравитационной нагрузки с учетом изменения естественной влажности угля за счет испарения, обеспечивающий вычисление детального распределения напряженного состояния углепородного массива, для расчета показателя удароопасности с целью повышения безопасности горного производства, заключается в использовании корректирующей функции, функционала Лагранжа и его дискретизации по методу конечных элементов.

5. Проведена оценка точности разработанных методов расчета НДС углепородного массива на базе сопоставления с аналитическими и численными решениями других авторов. Расхождение результатов при расчете задач в упругой постановке не превысило 0,08%, а в упругопластической — 1%, при этом вариация экспериментально определенных ФМХ углей составила 15%.

6. Установлено, что во время проветривания горной выработки в течение 18 суток происходит осушение угольного массива от ее бортов и снижение естественной влажности угля до глубины в 2 м.

7. При упругопластическом деформировании и одновременном учете корректирующей функции в результате снижения естественной влажности углей в сопряжении очистного забоя и выработки в период от 6 до 14 суток проветривания проявляется влияние «критической влажности» -локально увеличиваются упругопластические свойства угля, снижаются значения вертикальных напряжений на обнажении выработки, увеличивается конвергенция кровли, что влечет за собой резкое изменение баланса общей потенциальной энергии, увеличение концентрации энергии в зоне с повышенными значениями ФМХ угля, изменение распределения вертикальных сжимающих напряжений. Процесс снижения естественной влажности угольного массива до области «критической влажности» ведет к увеличению показателя удароопасности Ду и является одним из многих факторов, повышающих вероятность возникновения мощного динамического явления — горного удара.

8. Для предотвращения возникновения аварийных ситуаций природного и техногенного характера необходимо на стадии проектирования или перед началом отработки выемочного участка проводить оценку геодинамической безопасности при помощи разработанного метода прогноза геодинамических явлений в угольных пластах, склонных к горным ударам, с учетом влажности шахтной атмосферы, а также вести постоянный контроль относительной влажности воздуха, подаваемого на выемочные участки, с применением мероприятий, не допускающих снижения естественной влажности угольного массива до области «критической влажности» в пределах защитной зоны.