Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ способов и средств геомеханического обеспечения технологии подземной разработки угольных пластов в сложных природных и техногенных условиях
1.1 Анализ производственного опыта управления геомеханическими и газодинамическими процессами угольных шахт при выборочной отработке газоносных угольных пластов
1.2 Анализ схем и моделей деформирования пород в зоне сдвижения углепородного массива при подземной разработке свиты угольных пластов
1.3 Анализ результатов исследований влияния скорости подвигания очистного забоя на характер проявления геомеханических и газодинамических процессов
1.4 Анализ схем дезинтеграции углепородного массива и формирования газового коллектора в зоне сдвижения
1.5 Выводы и актуальность исследований для геомеханического обеспечения технологии подземной разработки свиты угольных пластов при неравномерной скорости подвигания очистных забоев
2 Исследование влияния природных и техногенных факторов на неравномерность движения очистного забоя и проявление геомеханических и газодинамических процессов в углепо-родном массиве
2.1 Методика, программа, характеристика объекта и предмета исследований
2.2 Классификация факторов, влияющих на неравномерность движения очистного забоя и механизм геомеханических и газодинамических процессов
2.3 Анализ влияния природных факторов на неравномерность движения очистного комплексно-механизированного забоя
2.4 Исследование влияния техногенных факторов на неравномерность движения очистного комплексно-механизированного забоя
2.5 Анализ влияния неравномерности движения очистного комплексно-механизированного забоя на геомеханические и газодинамические процессы в углепородном массиве
2.6 Выводы 66
3 Закономерности деформирования углепородной толщи при неравномерном движении очистного забоя
3.1. Методика и программа исследований сдвижения подработанной углепородной толщи при переменной скорости движении очистного забоя
3.2 Закономерности деформирования углепородного массива при неравномерном движении очистного забоя
3.3 Выводы 92
4 Разработка рекомендаций по управлению газовыделением из выработанного пространства посредством изменения параметров технологии очистных работ
4.1 Оценка влияния основных технологических параметров на газовыделение из выработанного пространства очистного забоя
4.2 Модель послойного блочного обрушения, накопления повреждений и уплотнения горных пород подработанного углепородного массива
4.3 Алгоритм дезинтеграции подрабатываемых пород кровли 106
на техногенные блоки
4.3.1 Алгоритм дезинтергации подрабатываемых пород кровли на техногенные блоки в пределах первичного шага обрушения
4.3.2 Модель дезинтеграции подрабатываемых пород кровли на техногенные блоки в пределах установившегося шага обрушения породных плит
4.3.3 Модель уплотнения обрушенных пород в выработанном пространстве
4.4 Исследование влияния технологических параметров на газовыделение с учетом динамики объема выработанного пространства и газового баланса
4.5 Разработка рекомендаций по снижению газовыделения в очистной забой из выработанного пространства в условиях шахт юга Кузбасса
4.6 Выводы 132
Заключение 136
Литература
- Анализ схем и моделей деформирования пород в зоне сдвижения углепородного массива при подземной разработке свиты угольных пластов
- Анализ влияния природных факторов на неравномерность движения очистного комплексно-механизированного забоя
- Закономерности деформирования углепородного массива при неравномерном движении очистного забоя
- Модель послойного блочного обрушения, накопления повреждений и уплотнения горных пород подработанного углепородного массива
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время рентабельные угольные шахты, отрабатывающие газоносные пологие угольные пласты по высокоинтенсивным технологиям длинными очистными комплексно-механизированными забоями (КМЗ), применяют малозабойные технологические схемы шахт, которые характеризуются одновременной работой 2- 3 подготовительных забоев с темпами проведения выработок 150-300 м/месяц и одного очистного КМЗ с нагрузкой более 3000 т/сутки.
Эффективность и безопасность этой технологии в сложных горногеологических условиях существенно зависит от ритмичности подвигания очистных комплексно-механизированных забоев (КМЗ). Нарушение ритмичности работы КМЗ приводит к непрогнозируемым аномальным геомеханическим явлениям в виде динамических осадок подработанных пород кровли с циклическим или внезапным выделением из выработанного пространства метановоз-душной смеси, повышенного водопритока из подработанных пород кровли, прорывов метана из надрабатываемых пластов-спутников, разрушения угольных целиков и элементов крепи очистных и подготовительных выработок, следствием чего являются крупные аварии, в том числе с групповыми несчастными случаями.
Одной из причин нарушения ритмичности работы КМЗ является не полное соответствие фактических и прогнозируемых по действующим методикам геомеханических и газодинамических параметров технологии угледобычи на выемочных полях и участках высокопроизводительных шахт.
Наименее изученными при подземной интенсивной выборочной отработке пологих газоносных угольных пластов являются закономерности взаимодействия зависания и обрушения подработанных пород кровли, волнообразного изменения напряжений, деформации и смещений в углепородном массиве, циклического прорыва метана из подрабатываемых и надрабатываемых сближенных угольных пластов при неравномерной скорости подвигания и аварийных остановках очистных КМЗ.
В связи с изложенным прогнозирование параметров взаимодействующих геомеханических и газодинамических процессов при неравномерном движении высокопроизводительных очистных забоев угольных шахт является актуальной задачей, имеющей существенное значение для угольной промышленности.
Диссертационная работа выполнена по планам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» с реализацией результатов исследований на шахтах «Алардинская» и «Осинниковская» в Кузбассе под руководством и непосредственном участии автора в период 1984-2005гг.
цля еФрвфацхгамия и|обеспече-
о»
/
Целью работы является прогнозирование параметров взаимодействующих геомеханических и газодинамических процессов для обоснования оптимальной скорости подвигания очистного забоя при отработке свиты газоносных пластов. Идея работы заключается в испопьчгтании установленных зависимостей параметров взаимодействующих геомеханиче -іїИіаАЮиряві&ЩїїїХУЙ* процессов от скорости подвигания очистного забоя
ния оптимальных технологических режимов отработки свиты угольных пластов в сложных изменяющихся природных и техногенных условиях. Задачи исследований:
изучить влияние основных природных и техногенных факторов на ритмичность работы высокопроизводительных очистных комплексно-механизированных забоев;
установить по результатам шахтных наблюдений закономерности проявления и взаимодействия газодинамических и геомеханических процессов в угле-породном массиве при неравномерном подвиганий очистного забоя;
установить закономерности деформирования углепородной толщи при неравномерном подвиганий очистного комплексно-механизированного забоя;
установить закономерности формирования газового коллектора в выработанном пространстве при переменной скорости подвигания очистного комплексно-механизированного забоя;
разработать рекомендации для активного управления параметрами геомеханических и газодинамических процессов посредством регулирования скорости подвигания КМЗ.
Методы исследований. В работе использован комплекс методов исследований, включающий: численное моделирование геомеханических и газодинамических процессов, натурные эксперименты по исследованию влияния скорости движения очистных забоев на геомеханические и газодинамические параметры, статистическую обработку и обобщение результатов исследований, прогноз области рационального применения разработанных технологических и геомеханических решений.
Научные положения, выносимые на защиту:
- по убывающему влиянию на неравномерность подвигания очистного КМЗ
основные факторы ранжируются в следующей последовательности: природные
метанообильность углепородной толщи; геологические нарушения, обводнённость углепородного массива, склонность угля к самовозгоранию; техногенные
очистной комбайн, средства транспорта, механизированные крепи;
интенсивность газодинамических и геомеханических процессов в углепородной массиве возрастает при: увеличении скорости подвигания забоя в интервале 0-4 м/сутки, резкой остановке КМЗ и в первые сутки его простоя, а также перед обрушением пород налегающей толщи;
при остановленном после выемки отдельного элемента угольного пласта очистном забое вертикальные смещения пород кровли наиболее интенсивно происходят в зоне, форма которой близка к полуэллипсам; угол наклона оси полуэллипса и его объём увеличиваются во времени по степенной функции с показателем степени 0,4-0,6;
объём газового коллектора в выработанном пространстве и вероятность динамического выделения метановоздушной смеси в выработки выемочного участка увеличиваются пропорционально скорости подвигания очистного забоя, прочности пород кровли, угленасыщенности массива горных пород, объёму зон расслоения пакетов подработанных породных плит.
Научная новизна работы заключается в
классификации и ранжировании основных горно-геологических и технген-ных факторов, влияющих на неравномерность подвигания очистного КМЗ: ме-танообильности углепородной толщи; интенсивности и типов геологических нарушений, обводнённости углепородного массива, склонности угля к самовозгоранию; надежности работы очистного комбайна, средства транспорта и механизированные крепи;
закономерностях интенсификации взаимодействующих газодинамических и геомеханических процессов в углепородной массиве при: увеличении скорости подвигания забоя в интервале 0-4 м/сутки, резкой остановке КМЗ и в первые сутки его простоя, а также перед обрушением пород налегающей толщи;
закономерностях деформирования углепородной толщи при неравномерном подвиганий очистного комплексно-механизированного забоя: при увеличении скорости подвигания очистного забоя в интервале 1-20 м/сутки оседания пород кровли над перекрытием секции механизированной крепи уменьшаются в 1,4-2,1 раза, а пучение пород почвы -в 1,2-5,2 раза, зона активного сдвижения подработанных пород кровли смещается от линии очистного забоя в сторону выработанного пространства;
закономерностях изменения объёма газового коллектора в выработанном пространстве: максимальный объём коллектора увеличивается пропорционально скорости подвигания очистного забоя, объём газового коллектора в выработанном пространстве изменяется в соответствии с периодами зависания и обрушения породной плиты, толщина которой равна мощности пород между кровлей отрабатываемого пласта и кровлей вышележащего пласта-спутника.
Личный вклад автора заключается в:
выявлении, классификации и ранжировании по результатам анализа производственного опыта отработки газоносных угольных пластов в сложных условиях основных горно-геологических и техногенных условиях факторов, влияющих на неравномерность подвигания очистного КМЗ
установлении закономерностей роста интенсивности взаимодействующих газодинамических и геомеханических процессов в углепородной массиве при увеличении скорости подвигания забоя, внезапной остановке КМЗ, а также перед обрушением пород налегающей толщи;
исследовании характера изменения объёма газового коллектора в выработанном пространстве при неравномерном подвиганий очистного забоя при разной длине зависания подработанных пород кровли и пространственном положении подрабатываемых пластов-спутников;
разработке рекомендации для активного управления интенсивностью геомеханических и газодинамических процессов посредством регулирования скорости подвигания КМЗ.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
- длительным (1984-2005гт.) периодом сбора, анализа и обобщения результа
тов шахтного эксперимента в широком диапазоне горно-геологических и гор-
нотехнических условий и реализации выводов и рекомендаций на шахтах Южного Кузбасса;
применением сертифицированных технических средств автоматизированного сбора и накопления в виде базы данных параметров шахтной атмосферы при проведении шахтного эксперимента и количественного прогнозирования параметров напряжённо-деформированного состояния углепородного массива численными методами геомеханики при неравномерном подвиганий очистного забоя;
соответствием установленных по результатам численного моделирования закономерностей циклического проявления горного давления и выделения метановоздушной смеси из выработанного пространства реальным процессам в условиях шахт «Алардинская» и «Осинниковская» в Кузбассе;
положительными результатами управления скоростью подвигания очистного комплексно-механизированного забоя, исключающими возникновение аварийных ситуаций при интенсивной отработке газоносных угольных пластов в сложных горно-геологических условиях шахт Южного Кузбасса.
Научное значение работы состоит в установлении закономерностей взаимодействия геомеханических и газодинамических процессов при неравномерной скорости подвигания высокопроизводительного комплексно-механизированного очистного забоя.
Практическая значимость работы состоит в: возможности использования установленных закономерностей деформирования горных пород и выделения метановоздушной смеси из вьфаботанного пространства при неравномерном подвиганий очистного комплексно-механизированного очистного забоя для прогнозирования экстремальных геомеханических и газодинамических ситуаций, а также исключения этих ситуаций посредством регулирования скорости подвигания очистного забоя.
Реализация работы. Проведены опытно-промышленные испытания вариантов управления геомеханическими и газодинамическими процессами и получены положительные результаты при отработке 11 выемочных столбов в условиях шахт «Алардинская» и «Осинниковская» в Кузбассе, подтверждающие возможность профилактики аварийных ситуаций при движении очистного забоя со скоростью не менее 4 м/сутки.
Апробация работы. Основные выводы и результаты научной работы доложены и обсуждены на: Международной научно-практической конференции «Наукоёмкие технологии разработки и использования природных ресурсов» (Новокузнецк, 2004, 2005гг.), XIII, IX, X Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 2004-2005 гг.), Научном симпозиуме «Неделя горняка 2005» (Москва, 2005г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 6 без соавторов.
Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх разделов, заключения, изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 14 таблиц, список литературных источников из 84 наименований.
Анализ схем и моделей деформирования пород в зоне сдвижения углепородного массива при подземной разработке свиты угольных пластов
При движении очистного забоя часть пород в выработанном пространстве зависает, деформируется в виде прогибов и сдвигов по контактам между слоями и обрушается. После обрушения породных слоев в средней части выработанного пространства по его периметру между линией обрушенных породных слоев и угольным массивом происходит зависание пород. Длина консоли зависания породных слоев существенно влияет на параметры опорного горного давления, газового коллектора [13-18, 21, 35 и др.].
На практике процессы зависания и обрушения подработанных пород кровли приводят к периодическому характеру проявления горного давления, в угольном массиве, что подтверждено в работах ученых и практиков [1-4,6,7 и др.]. Наиболее опасная ситуация возникает в очистных и прилегающих к ним подготовительных выработках при максимальном зависании подработанных пород кровли. Основными параметрами зависающих и периодически обрушающихся пород кровли являются длина консоли и мощность пород.
По результатам шахтных и лабораторных исследований на моделях из эквивалентных материалов выделены два характерных участка по длине выемочного столба: до первичного обрушения пород кровли и при установившемся шаге обрушения пород основной кровли. Некоторые исследователи выделяют участок выемочного столба, в пределах которого оказывают влияние породы налегающей толщи [1-3 и др.], расположенные выше пород основной кровли. Вторичные осадки налегающей толщи приводят к динамическим проявлениям горного давления в форме горно-тектонических ударов, в том числе на соседних выемочных участках и пластах.
По результатам обработки шахтных наблюдений учеными и практиками предложены эмпирические формулы для определения шагов первичного и последующего обрушения подработанных пород кровли (таблица 1.3). В таблице 1.3 приняты следующие обозначения: нк - шаг обрушения пород непосредственной кровли, м; ок - шаг обрушения пород основной кровли, м; т, тнк, ток - мощность пласта, пород непосредственной кровли и основной кровли соответственно, м; f, fHK, f0K - коэффициент крепости по шкале проф. М.М. Протодьяко нова угля, пород непосредственной кровли и основной кровли соответственно, м; 5р - предел прочности пород на разрыв, МПа; у _ удельный вес пород, кН/м ; бсж - предел прочности пород на сжатие, МПа.
По формулам, приведенным в таблице 1.3, был проведен расчет шагов обрушений пород кровли для следующих условий: пт=2м; тнк=10м; ток=30м; f=l; fT1K=3; f0K=4; fllT=3,5; бСЖ11К=30МПа; 5СЖ0К =40МПа; 5р.нк=2МПа; 5р0К=ЗМПа; у=25кН/м3.
Результаты расчётов шагов обрушения по алгоритмам, приведенным в таблице 1.3, могут отличаться более чем в 6 раз, то есть не могут быть применены на практике.
На пределы изменения шагов обрушений пород кровли влияют многие факторы: механические свойства пород, мощность породных слоев, глубина разработки, размеры выработанного пространства и др. Одним из факторов, влияющих на величину шагов обрушения пород кровли, а соответственно, и на параметры опорного горного давления, является скорость подвигания очистного забоя.
По мнению авторов монографии [36] увеличение скорости подвигания очистного КМЗ приводит к снижению величин сдвижений подрабатываемых породных слоев в зоне их изгиба. Незначительное изменение трещиноватости и пористости пород в этой зоне способствует замедлению процесса выделения метана из подрабатываемой углеродной толщи. При большой скорости движения очистного забоя дегазирующее влияние очистного забоя проявляется на расстоянии 5 0-120м от забоя в выработанном пространстве. Учитывая, что обрушение зависающих породных слоев происходят в динамической форме, соответственно и метан выделяется в виде залповых выбросов в выработки.
Актуальной научно-практической задачей является исследование характера формирования в выработанном пространстве блочной структуры подработанных пакетов плит. Последние исследования в этом направлении проведены в 70-80 годы прошлого столетия (А.А. Борисов, Г.Н. Кузнецов, СТ. Кузнецов, А.А. Орлов и др.). В работах СТ. Калинина, Ю.А. Коровкина доказано существенное влияние характера формирования и воздействия породных блоков на НДС в отрабатываемом угольном пласте и на секции механизированной крепи. Однако закономерности фильтрации газов в блочной структуре подработанных пород кровли изучены недостаточно. Как правило, принимается сыпучая среда с постоянными фильтрационными параметрами [37]. В последних публикациях, посвященных изучению влияния блочного массива на НДС [38], подтверждается актуальность исследований и разработки на их основе рекомендаций по управлению геомеханическими и газодинамическими процессами в блочном массиве подработанных пород.
По результатам шахтных измерений концентрации метана установлено, что относительная метанообильность изменяется волнообразно по длине отрабатываемого выемочного столба [36,39,40]. На рисунке 1.2 приведены графики динамики концентрации метана, подтверждающие неравномерность выделения метана.
По результатам исследований М.И. Радиковского в выемочном участке 26-30 шахты «Абашевская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» [40] установлено, что при отходе очистного забоя от монтажной камеры расстояние между максимумами концентрации метана на рисунке 1.2 увеличивается.
Анализ влияния природных факторов на неравномерность движения очистного комплексно-механизированного забоя
Обводненность углепородной толщи снижает среднюю скорость движения очистного КМЗ на 11-19% и при наличии мульд и движений очистного забоя по падению пласта возникает необходимость временных остановок КМЗ для откачки воды, правки секций механизированной крепи, снижения производительности конвейерного транспорта. Отработка тонких пластов в обводненных условиях приводит к частным аварийным остановкам очистного забоя или консервации запасов угля (пласты 21, 20 шахты «Абашевская» в Кузбассе). Переменная мощность пласта в пределах выемочного столба способствует остановкам забоя по следующим причинам: присечка боковых пород при пережимах пласта; правка секций крепи при выемке пласта на участках его утолще ния.
Переменный угол падения пласта на участках выемочного столба с углом падения больше 20 происходят остановки очистного КМЗ по следующим причинам; сползание секции крепи по падению пласта; неустойчивая работа забойного конвейера из-за провисания нижней ветви цепи на нижнем сопряжении штрека с лавой; перепуск крупных кусков угля и породы по забойному конвейеру под влиянием сил гравитации.
Геологические нарушения являются одним из основных факторов, ограничивающих область применения очистных КМЗ. На участках выемочного столба с пликативными нарушениями снижение скорости движения или остановки очистного КМЗ, происходят по следующим причинам:
повышение обводненности очистного забоя в мульдах; снижение устойчивости подготовительных выработок на участках вследствие возникновения растягивающих напряжений на участках перегиба пласта.
Переход очистным КМЗ геологического нарушения разрывного типа, как правило, приводит к снижению скорости движения забоя или остановкам его для проведения профилактических работ: упрочнение угля и пород, правка секций механизированной крепи, крепление куполов, ведение буровзрывных работ и др.
Склонность угля к самовозгоранию является одним из факторов, нарушающих ритмичность работы по следующим причинам: превышение предельной скорости движения очистного КМЗ с це лью ухода от очага окисления угля в выработанном пространстве (соглас но «Инструкции...» [71] скорость движения очистного КМЗ при остановке весьма склонных к самовозгоранию пластов должна быть не менее 60м); необходимость оставления барьерных выемочных столбов приводит к усложнению геомеханической ситуации в шахтном поле, формированию зон повышенного горного давления; остановки очистного забоя при проведении профилактических работ: обработка пласта антипирогенами, выработанного пространства — аэрозолями, изоляция выработанного пространства.
Склонность угля к газодинамическим явлениям приводит к неравномерности движения очистного КМЗ в течение суток. Так, согласно ПБ [57], на шахтах, опасных по внезапным выбросам угля и газа, выделяется специальная смена для выполнения локальных способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа.
Физико-механические свойства угля и пород, литологический состав углепородного массива влияют на неравномерность движения очистного КМЗ посредством деформирования и разрушения угля и пород в зоне влияния выработанного пространства и впереди очистного забоя.
Деформационные и прочностные свойства пород кровли, ее строение формируют период обрушения зависающих над выработанным пространством породных плит. Вес пород в этих зависающих плитах влияет на параметры опорного горного давления. Установленная на практике закономерность циклического обрушения пород кровли принята в качестве дополнительного классификационного признака (см. таблицу 2.2). Наиболее вероятное неравномерное движение очистного КМЗ происходит перед и после обрушения пород основной кровли. Причинами изменения скорости движения КМЗ являются: правка секций механизированной крепи перед и после обрушения пород основной кровли; ликвидация куполов в кровле впереди очистного забоя над участками интенсивного отжима угля. Предел прочности угля при сжатии и разрушении влияют на неравномерность движения очистного КМЗ посредством формирования зоны отжима угля с поверхности пласта при условии К7Н асж, (2.1) где К — коэффициент концентрации вертикальных напряжений в угольном пласте в очистном забое; у — удельный вес пород; Н - глубина разработки; Стеж - предел прочности при сжатии наиболее слабой угольной пачки пласта.
По результатам визуальных наблюдений при выемке угольных пластов в очистных забоях установлено, что отжим угля происходит при совокупном влиянии следующих параметров: глубина разработки Н 300м, вынимаемая мощность угольного пласта (слоя) т 2,5м; предел прочности угля при сжатии а ЮМПа; скорость движения очистного комбайна VK 1M/MHH. То есть почти на всех шахтах Кузбасса циклическое зависание и обрушение пород кровли приводит к нарушению устойчивости секций механизированной крепи, отжиму угля с краевой части пласта, образованию куполов в кровле, пучению пород почвы, пласта. От объемов и продолжительности работ, связанных с ликвидацией последствий этих явлений, зависит неравномерность движения очистного забоя.
В качестве примера приведены результаты исследований влияния прочности угля и пород на скорость движения очистного КМЗ при отработке пласта 34 шахты «Казанковская» в Кузбассе.
Выемочный столб 34-1 расположен в мульдовой части брахисинкли-нали. Коэффициент крепости угля по шкале М.М. Протодьяконова f=0,6. Глубина разработки в пределах участка 120-250м. Угол залегания пласта 10-24 по падению, 5-16 по простиранию. Длина очистного забоя 87м. Пласт отрабатывается механизированным комплексом 20КП-70.
Закономерности деформирования углепородного массива при неравномерном движении очистного забоя
Для прогнозирования газовыделения из выработанного пространства при эксплуатации современных высокопроизводительных механизированных комплексов разработана модель оценки газовой обстановки в выемочном участке на основе результатов шахтных наблюдений в выемочном участке 1-1-5-1 шахты «Тайжина». Входными параметрами модели были приняты: газообильность пласта q, м /т; расстояние от монтажной камеры до линии очистного забоя /, м; скорость подвигания очистного забоя v, м/сут; суточный объем добычи А, т/сут. В качестве выходного параметра принято газовыделение из выработанного пространства в очистной забой qe_n, м3/т.
На первом этапе для обработки данных была использован пакет компьютерных программ STATISTICA. Для обработки данных был задействован модуль «Множественная регрессия», включающий возможность пошаговой регрессии. Основные результаты формирования зависимости приведены в таблице 4.1.
На основе анализа результатов наблюдений по 149 забое-суткам (см. таблицу 2.3) была получена зависимость вида
Результаты моделирования процесса метановыделения в выработки выемочного участка 1-1-5-1 шахты «Тайжина» в Кузбассе приведены на рисунке 4.1 и в таблице 4.1. Коэффициент корреляции расчетных и фактических данных для регрессионной модели составил 0,942.
На втором этапе для создания модели был привлечен математический аппарат нейронных сетей.
Результаты моделирования газовыделения в выработанное пространство с использованием нейросетевой модели приведены в таблице 4.1. Коэффициент корреляции расчетных и фактических данных для нейросетевой модели составил 0,972.
На основе анализа графиков рисунка 4.1 установлено, что наиболее перспективным для прогноза метановыделения выемочного участка является аппарат нейронных сетей, позволяющий проводить оценку влияния технологических факторов на газовыделение в выработанное пространство при отработке пологих пластов.
По результатам статистической обработки фактических данных по 149 забое-суткам установлено, что скорость подвигания очистного забоя является одним из технологических факторов, определяющих параметры газовыделения в выработанное пространство, однако все рассмотренные модели ориентированы на среднее значение скорости подвигания и не учитывают ее вариацию.
1) Свойства угля и вмещающих пород во многом определяют пара метры процессов газовыделения и газовой динамики, однако статистические модели и модели на основе искусственного интеллекта не позволили в пол ной мере учесть эти свойства.
2) Вследствие постоянства длины очистного забоя на основе наблюде ний в котором формировались модели оценки влияния технологических фак торов на газовыделение введение данной переменной во множество входных параметров не дало положительного результата.
На основе проведенного в первом разделе настоящей работы анализа схем сдвижения подработанного углепородного массива установлено, что механизм циклического обрушения пород кровли и выделения метана наиболее полно соответствует гипотезе сдвижения горных пород в виде изгиба плит с поперечным сдвигом и обрушением их блоками в выработанное пространство при достижении в породах предельного состояния. Моделирование и прогноз параметров процесса сдвижения горных пород является сложной научно-практической задачей, решение которой в работах предшественников [13-16,17,18,21,35 и др.] осуществлялось посредством идеализации модели углепородного массива и схемы формирования выработанного пространства.
Для решения поставленной в настоящей работе задачи создания модели послойного блочного обрушения, накопления повреждений и уплотнения горных пород в зоне сдвижения слоистого массива горных пород при интенсивной отработке пологих угольных пластов подземным способом предлагается использовать следующую физическую модель углепородного массива. Толща осадочных горных пород представлена стратиграфически в природных условиях системой породных слоев и угольных пластов (рисунок 4.2).
По контактам слоев или пластов породы обладают некоторым сцеплением и сопротивлением отрыву за счет цементации и природных сил сжатия. Каждый породный слой или угольный пласт характеризуется индивидуальными свойствами и параметрами: пределом прочности при одноосном сжатии и растяжении, модулем деформации и коэффициентом Пуассона, мощностыо слоя, параметрами трещиноватости и др.
Модель послойного блочного обрушения, накопления повреждений и уплотнения горных пород подработанного углепородного массива
Для описания реальных процессов деформирования, разрушения и уплотнения горных пород, а также формирования газового коллектора в зоне сдвижения, предлагается учитывать в алгоритме комплекс горногеологических, горнотехнических факторов, а также форму и размеры выработанного пространства, скорость движения очистного забоя и др.
Для решения указанной сложной задачи предлагается применить системный подход [17,18 и др.]. Для этого рассматривается сложная система в виде совокупности технологических, геомеханических и газодинамических процессов при разработке свиты угольных пластов (рисунок 4.18). Техногенное воздействие технологии и технических средств на угле-породный массив приводит к нарушению напряженно-деформированного и газового равновесия и проявлению геомеханических и газодинамических процессов в виде сдвижения горных пород, их обрушения и уплотнения в сдвижения, а также выделения метана из отрабатываемого, подрабатываемых и надрабатываемых пластов и пород. Для управления этими процессами разработан алгоритм модели системы, обеспечивающий прогноз управляющих воздействий. Отдельные структурные элементы сложной системы (рисунок 4.18) далее в настоящей работе рассматриваются в соответствии с функциональными особенностями каждой подсистемы и системы в целом.
В соответствии с методологией системного моделирования исходным этапом формирования системы является определение ее границы. Результаты оценки изменения скорости подвигания ДКМЗ под действием осложняющих факторов сведены в таблицу 4.5
Осложняющие факторы Снижение скорости подвиганияДКМЗ в зависимости от параметровосложняющего фактора, % Разрывное нарушение без выраженного вывалобразования в непосредственной кровле 7-24 Разрывное нарушение с выраженным вывалобразованием в непосредственной кровле 16-57 Неустойчивая непосредственная кровля, повышенный отжим и выва-лообразование из-за негативного влияния тяжелой кровли 7-32 Пластовые нарушения (снижение мощности пласта) 2-23 Повышенная обводненность очистного забоя 5-19 Наличие твердых включений 10-25
Анализ результатов оценки изменчивости скорости подвигания ДКМЗ при наличии отдельных и комплекса осложняющих факторов позволил сделать следующие выводы.
Наибольшее снижение скорости подвигания очистного забоя (до 54%) отмечается при переходе разрывных нарушений в зоне неустойчивой непосредственной кровли, что обусловлено особенностями технологии ведения очистных работ в ДКМЗ и рядом недостатков в конструкциях механизированных крепей. Разрывные нарушения без образования вывалов оказывают значительно меньшее влияние на скорость подвигания КМЗ, т.к. высокая энерговооруженность современных комбайнов позволяет вести очистные работы с высокой нагрузкой даже при существенном замещении угольного пласта породой. Дополнительной проблемой является отсутствие современных технологий заделки вывалов в непосредственной кровле.
Снижение скорости подвигания ДКМЗ до 32% может быть вызвано необходимостью включения в продолжительность цикла времени заделки вывалов в непосредственной кровле. Такие вывалы могут быть вызваны двумя основными факторами -недостаточной устойчивостью непосредст-венной кровли или большими обнажениями вследствие разрушения приза-бойной части угольного массива. Такое разрушение может быть вызвано наличием тяжелой по нагрузочным свойствам кровли.
Наличие твердых включений (за исключением аварийных случаев, связанных с разрушением исполнительного органа очистного комбайна) снижает скорость подвигания ДКМЗ на величину до 25%. Это обусловлено низкой механизацией работ по извлечению твердых включений из зоны действия исполнительного органа комбайна и его транспортировку в завал или специальную нишу на конвейерном штреке. Конструкции современных щитовых крепей исключают прямое транспортирование твердых включений в выработанное пространство. Единственное реально существующее средство разрушение твердых включений- гидрорезное оборудование с высоконапорными струями, содержащими абразив- пока еще находится в экспериментальной стадии, поэтому упор может быть сделан на прогнозирование наличия твердых включений и исключение аварий очистного комбайна и забойного конвейера.
Пластовые нарушения в виде вздутий, утонений замещений или расщеплений пластов не имеют широкого распространения на юге Кузбасса, однако выполненные расчеты показали, что снижение скорости подви-гания очистного забоя при переходе участка с замещением угля породами кровли или почвы может достигать 25%. Следует отметить, что при переходе вздутий пласта этот показатель может повыситься до 32% из-за образования вывалов. Рост энерговооруженности современных комбайнов и забойных конвейеров позволяет прогнозировать повышение скорости перехода пластовых нарушений в виде пережима или замещения пластов.
Повышенная обводненность очистного забоя (за исключением аварийных ситуаций, связанных с полным или частичным затоплением забоя) ведет к снижению скорости подвигания ДКМЗ на величину до 19%. Снижение скорости подвигания может быть вызвано скольжением секций и
забойного конвейера при передвижке на углах падения более 15, а также заштыбовкой забойного конвейера мокрыми глинистыми частицами. Наибольшее влияние повышенная обводненность оказывает при наличии прослойков глинистых сланцев или аргиллита. Следует отметить, что при создании удовлетворительных условий водоотведения из КМЗ негативное влияние повышенной обводненности существенно снижается.
