Введение к работе
Актуальность проблемы. Снижение трудозатрат и повышение безопасности горных работ при подземной угледобыче сдерживается усложняющимися горно-геологическими условиями (рост глубины горных работ, введение в эксплуатацию участков с худшими условиями и т.п.) и связана с недостаточным уровнем геомеханической адаптации технологии при взаимодействии с массивом горных пород. В этих условиях существенно возрастет роль использования геомеханической информации, закономерностей горного давления и управления кровлей, обоснованного выбора типа и параметров крепи, правильной раскройки выемочных участков, своевременного выявления сложных ситуаций по управлению горным давлением и крепью для обеспечения работоспособности комплексов, принятия мер по исключению аварийности горных работ. Комплексное решение этих вопросов на шахте может быть обеспечено путем идентификации горно-геологических условий и горнотехнических ситуаций, прогнозирования и контроля геомеханического состояния массива горных пород и использования этих данных на всех этапах планирования и ведения горных работ.
Сложность геомеханического прогнозирования заключается в многообразии горно-геологических и горнотехнологических факторов, недостаточной конкретности методов прогноза проявлений горного давления, ограниченности математического, программного и приборного обеспечения геомеханических исследований и контроля. Эффективное прогнозирование для многообразия условий, ситуаций и схем отработки пластов в настоящее время невозможно без использования вычислительной техники, современных информационных систем.
В связи с этим особую актуальность приобретает разработка теоретических положений, методов прогнозирования и контроля проявлений горного давления при подземной отработке угольных пластов, совокупность которых составляет новое перспективное направление в горной геомеханике—геомеханический мониторинг на Wxrax с целью повышения эффективности и безопасности горных работ.
Актуальность проблем прогнозирования и контроля несомненна при разработке разнообразнейших условий месторождений Кузнецкого угольного бассейна. Поэтому проведенные в 60-90-х годах исследования, базировавшиеся на шахтах Кузбасса и особенно при испытаниях новых технологий отработки пластов с закладкой выработанного пространства, уникальны в горной геомеханике, а методология исследований имеет обшее значение и сохраняется для различных задач теории горного давления.
.-4-.
Тематика исследований диссертации входила в работы, выполненные автором в соответствии с Постановлениями ГКНТ СССР N 415 от іЗ. 09.69 г., N 472/248 от 12.12.80 г. (Программа 0.80.06, задание 05.04), N 158 от-16.04.84 г., II 56 от 10.03.І86 г.( Задание 03.01. Нб.); приказом Ыинуглепрома СССР N 315 от 24.06.80. "Об улучшении работ по управлению горным давлением". Работа непосредственно связана с выполнением региональной подпрограмма "Уголь Кузбасса", входпщэй в комплексную программу СО РАН "Сибирь". .
Диссертационная работа обобщает результаты научно-исследова
тельских работ и этапов, выполненных при непосредственном участии
и под руководством автора в Институте горного дела СО АН СССР в
период 1971 - 1983 гг. (N гос. регистрации 76093911, 76093914.
81081328) и в Институте угля СО РАН с 1983 г. (N гос. регистрации
81081328, 86009722). ' ,
В диссертационную работу вошли результаты научно-исследовательских работ выполненных автором по планам международного сотрудничества с Институтом безопасности горных работ (Лейпциг, ГДР) на 1976-1980 гг., Высшим горно-геологическим институтом (София,-' Болгария) в 1981 - 1988 гг. и Главным институтом горного дела (Катовице, Польша) в 1987 - 1990 гг.
Цель работы - создание теоретических основ и развич-не . методов прогнозиїхзвания проявлений горного давления для геомеханического мониторинга при подземной разработке угольных пластов.
Идея работы - использовать экспериментальные данные о прост- . ранственно-временном развитии смещений массива горных пород для прогнозных расчетов и машинного картирования напряженно-деформированного состояния и проявлений горного давления в конкретных горно-геологических и горнотехнических условииях.
Задачи исследований: — синтезировать методологию экспериментальных и аналитлческих исследований проявлений горного давления и методы прогнозирования изменений пространственного re механического состояния массива горних пород на основе экспериментальной информации о смещениях в окрестности очистной выработки;
-- еылеитъ закоиомэрности формирования смещений в процессе ведения очистных работ на основе анализа экспериментальных данных о смешениях отдельных точек границы боковых пород;
- Б --- выяснить влияние основных горно-геологических, горнотехнической и технологических факторов на формирование проявлений горного давления при отработке мощных крутых пластов с закладкой;
разработать математическую модель развития смещений боковых пород в процессе ведения очистных работ;
развить экспериментально-аналитические постановки и решения задач определения изменений геомеханического состояния массива горных пород вокруг очистных выработок, разработать алгоритмы расчетов проявлений горного давления;
-- разработать комплекс программ автоматизированного прогнозирования проявлений горного давления, обработки результатов натурных измерений смещений боковых пород и расчетов геомеханической информации;
-- установить особенности геомеханических состояний массива горных пород вокруг очистных выработок основных технологических схем отработки мощных крутых угольных пластов (по восстанию, падению и простиранию) с закладкой выработанного пространства;
-- исследовать влияние свойств пород, материала закладки и горно-геологических условий на формирование проявлений горного давления при отработке угольного пласта;
-- сформулировать теоретические и практические аспекты построения геомеханического мониторинга на угольных шахтах Кузбасса и создания на основе экспериментально-аналитического подхода геомеханической мониторинговой системы.
ЬУэтоды исследования. Для достижения поставленной цели использован комплекс методов, включающий:
аналиа экспериментальных данных измерений проявлений горного давления в точках массива и синтез натурных наблюдений с математическим моделированием и аналитическими расчетами для прогнозирования изменений пространственных геомеханических состоянийэмас-сивов горных пород;
математическое описание основных закономерностей и математическое моделирование формирования смещений боковых пород при отработке угольного пласта;
статистическую обработку результатов измерений смещений в точках вмещающих пород для определения параметров элементов поверхностей смещений границ массива пород;
методы решения краевых задач механики твердого деформируемого тела для расчетов напряженного состояния массива пород;
численную реализацию на ЭВМ алгоритмов расчетов смещений и
- 6 -напряжений для прогнозирования геомеханичесчого состояния на вые-ио 'ых участках;
методы машинной графики для визуализации геоыеханической информации и картирования пространственного напряженно-деформированного состояния массива горных пород и геомеханичеекой обстановки на выемочном участке.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
по измеренным в отдельных точках смещениям боковых пород можно синтезировать поверхности смещений границы кровли и определять геомеханическое пространственное состояние массива горных пород; .
математическое моделирование проявлений горного давления' при отработке пластов с закладкой выработанного пространства осуществляется на основе закономерностей пространственно-временных смещений пород, а именно формирования элементов смещений - поверхностей приращений смещений от подвиганий забоя и Фронта очистных работ, конечных смещений от отработки выемочного участка;
параметрами математического 'описания элементов смешений пород являются величини максимальных значений, координаты их расположения и характеристик распространения поверхностей приращений смещений от подвиганім забоя;
зависимости параметров элементов смещений от горно-геологи-чеекпх, горнотехнических и технологичесгаїх факторов, полученные экспериментально, составляют базу данных для автоматизированного прогнозирования проявлений горного давления сприменением средств вычислительной техники;.
экспер' іентально-аналитическсе определение геомеханического состояния с использованием в качестве граничных условие измеренных іші рассчитанных позерхігостей или профильных кривых смещений кровли является математическим методом в научных исследованиях изменений сстояния массива горных пород при отработке пластов;
реаения пространствен а. и плоских задач экспериментально -і.рахитического моделирования геоыеханичеекого состояния массива щшводйяся либо с учетом упруто-наследствешшх свойств пород, -'moo >п;.уп!х (мгновенных или "предельных") характеристик в зави-Сіїмо'ми от времени движения забоя и отработки участка;
с-иьемп!», многовариантные расчеты и прогнозный анализ геоме-ханич''окой обстановки на выемочных участках в разнообразных горно - геологических условиях, горнотехнических ситуациях выемочных
ИХ.-И !: ДЛЛ раеЛИЧПЫХ ТЄХИ0ЛОГИЧЄСКИХ ОХЄМ ОТрабОТКИ ОСуВрСТВЛЯ-
ются с применением ЭВМ комплексом программ расчетов состояния массива горных пород и машинной визуализации информации;
оценки геомеханической эффективности управления горного давления при отработке мощных пластов Кузбасса по восстанию, падению или простиранию с закладкой выработанного пространства показывают однотипность формирования поверхностей смещений боковых пород, опорного давления на угольный пласт и отпора закладки в выработанном пространстве при разнообразии количественных параметров зон распространения, концентрации напряжений пригрузки и разгрузки массива, вызванных как применением закладочных материалов с различными компрессионными характеристиками, так и влиянием горно -геологических и горнотехнических аномалий на выемочном участке;
геомеханическими особенностями состояний массивов горных пород при отработке мощных угольных пластов по восстанию или простиранию с закладкой выработанного пространства материалами і высокими компрессионными характеристиками усадки является отсутствие отпора закладки в свежевозведенных полосах и зонах отработки мелкоамплитудных нарушений в выемочном поле;
спецификой формирования отпора закладочного массива из твердевших смесей при отработке мощных угольньк пластов по падению яаляется образование одного или нескольких "несущих ядер" отпора закладки в выработанном пространстве;
оценка опасных проявлений горного давления при предварительном прогнозировании и оперативном контроле состояний очистной выработки в пласте, отрабатываемом механизированными комплексами, осуществляется с помощью критериев "предельно допустимого состояния" (ІЩС);
геомеханический мониторинг на шахтах как комплексная система регламентированных наблюдений, оценки и прогноза изменений геомеханического состояния массива горных пород обеспечивает повышение и контроль эффективности управления горным давлением при подземной разработке полезного ископаемого.
Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждается:
необходимым объемов использованных основополагающих многолетних шахтных исследований конвергенции в подготовительньн и очистных выработках при отработке более 20 шахтопластов Прокопь-евского месторождения Кузбасса в диапазоне глубины разработки 100-360 м., мощностей пласта 4,0...16,2 м., системах отработки по восстанию и простиранию с закладкой выработанного пространства;
количественным согласованием результатов расчетов сдвижений .и наряженного состояния с данными экспериментальных исследований в даоораторных условиях и качественным соответствием установленных закономерностей представлениям о характере напряженно-деформированного состояния массива горных пород;
практикой эффективного применения результатов исследований для геомеханического обоснования решений при проектировании технологий и геомеханической оценки эффективности управления горным давлением при отработке, угольных пластов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
впервые сформулирована методология прогнозирования и контроля геомеханического состояния массива горных пород при отработке угольных пластов, на основе синтеза экспериментальных данных о проявлениях горного давления в отдельных точках боковых пород , математического моделирования формирования проявлений на границе и аналитического расчета пространственного состояния массива;
впервые разработаны математические модели и методы прогнозирования и контроля сдвижений боковых пород при отработке пластов, отличительными особенностями которых является возможность определения пространственно - временных смещений в зависимости от пополений очистных работ с учетом горно-геологических, горнотехнических и технологических факторов на выемочном участке;
выявлены закономерности изменений и количественные значения параметров (построена база данных) элементов проявлений горного давления для условий Прокопьевско-Киселевского месторождения Кузбасса позволяющая проводить многовариантное математическое моделирование смешений пород кровли и определение с применением вычислительной техники геомеханической обстановки при обо», .овании технологий отработки по фактору горного давления и контро--- геомеханической эффективности управления горным давлением;
сформудиг ваны новые пространственные и двумерные задач экспериментально-аналитического с. ,ределения изменений геомеханического состояния массива горных пород, - отличающиеся использованием в качестве граничных условий при аналитических решениях результатов шахтних измерений или расчетных (по экспериментальным данным) проявлений горного давления;
получены решения пространственных и двумерных экспериментально-аналитических задач горной геомеханики, на основе которых разработаны эффективные алгоритмы и комплекс программ расчетов : '-ifKOTiciir гесі/'оханического состояния массивов и обработки реэуль-
татов измерений проявлений горного давления, отличительной особенностью которых является возможность моделирования и картирования 'геомеханической обстановки на конкретных выемочных участках при различных технологических схемах отработки, применения машинной графики для визуализации больших объемов информации;
впервые получены новые данные о геомеханической обстановке на выемочных участках и выявлено влияние на нее горно-геологических и горнотехнических факторов при технологических схемах отработки по восстанию, .простиранию и падению с закладкой выработанного пространства;
сформулированы критерии "предельно допустимого состояния" очистной выработки при механизированной отработке угольных пластов, отличительными особенностями которых является возможность использования данных шахтных измерений смещений для оперативного контроля и оценки эффективности управления горным давлением;
введены понятия геомеханического мониторинга и определены состав, структура, организационное обеспечение мониторинговой системы, отличительными особенностями которой является комплексный подход к прогнозированию и контролю проявлений горного давления при планировании, подготовке и ведении горных работ.
Личный вклад автора состоит в:
обосновании нового подхода к прогнозированию и контролю проявлений горного давления при отработке пластов на основе синтеза экспериментальных измерений смещений пород в отдельных точках,. математических моделей формирования сдвижений по границе кровли с выработанным пространством и пластом и аналитических методов определения геомеханического состояния массива горных пород;
разработке математических моделей формирования сдвижений и методов расчета поверхностей смещений пород при отработке пластов;
развитии пространственных и двумерных задач горной гс, j-xa-ники экспериментально-аналитического определения геомеханического состояния массива вокруг очистных выработок;
решении задач, разработке алгоритмов и комплекса программ расчетов компонент смещений, тензоров напряжений и обработки геомеханической информации;
проведении математического моделирования и расчетов проявлений горного давления при исследованиях геомеханических особенностей технологий разработки пластов и геомеханической оценке эффективности управления горным давлением на выемочных участках шахт;
разработке методических основ функционирования групп горногс
.-10-
давления шахт, нормативно-методических документов отраслевого значения и для отдельных предприятий, осуществлении опытной проверки и внедрений результатов исследований в производство;
формулировке понятий геомеханического мониторинга и разработке принципов построения геомеханических мониторинговых систем.
Практическое значение работы заключается в том, что результаты выполненных исследований позволяют:
использовать в научных исследованиях по прогнозированию и контролю проявлений горного давления при отработке пластов и построения информационных геомеханических мониторинговых систем комплексный подход на основе синтеза экспериментальных измерений, математического моделирования и аналитических расчетов изменений геомеханического состояния массива горных пород;
использовать математические модели формирования смещений пород и давлений на механизированные крепи для интерпретации результатов экспериментальных измерений и создания баз данных элементов проявления горного давления;
прогнозировать проявления горного давления при отработке пластовых месторовдений путем автоматизированных расчетов и картирования результатов расчетов;
производить геомеханическое обоснование решений по управлению горным давлением путем многовариантных автоматизированных расчетов, машинного картирования и_оценки геомеханической обстановки при планировании работ в конкретных горно-геологических ус-, ловиях, горнотехнической ситуации на выемочном участке и возможности варьирования параметров технологических схем отработки;
проводить автоматизированную обработку результатов контроля и прогноза проявлений горного давления для оценки эффективности управления горным давлением в процессе ведения горных работ;
обосновывать требования новых нормативно-методических документов по управлению горным давлением и обеспечению безопасности ведения горных работ.
Реализация работы. Научные результаты и практические рекомендации, разработанные, автором, вошли составной частью в методические отраслевые и региональные (производственных объединений и шахт) документы, используемые угледобывающими предприятиями и научно-исследовательскими организациями: "Руководство по оперативному прогнозированию и предупреждению обрушений угля в очистных забоях при системах разработки угольных пластов с аакладкой". -Новосибирск,1978 ; "Типовое временное положение о группе горного
- 11 -давления шахты". - Новосибирск, 1980 ( утверждена Минуглепромом СССР); "Временное положение о группе горного давления шахты Производственного объединения "Прокопьевскуголь". - Новосибирск-Прокопьевск, 1981 ; "Временное положение о группе горного давления ш. "Распадская" объединения "Юккузбассуголь". - Новосибирск, 1981; "Временное положение о группе горного давления шахты ПО "Ленинс-куголь". - Новосибирск, 1982 ; "Положение о группе горного давления и шахтной геофизики ПО "Ростовуголь". - Новосибирск, 1983.
Методология экспериментально-аналитического подхода в исследованиях и методы прогнозирования, разработанные автором, передавались и применялись в Институте безопасности горных работ (Лейпциг, ГДР), Высшем горно-геологическом институте (София, Болгария) , а исследования по разработке геомеханического мониторинга в очистных механизированных забоях проводились совместно с Главным институтом горного дела (Катовице, Польша).
Реализация выводов и рекомендаций, разработанных с участием автора: ПО "Прокопьевскуголь" и КузНИУИ использовали материалы по прогнозированию проявлений горного давления при проектировании и внедрении систем разработки с закладкой в Кузбассе; б. Минуглеп-ромом СССР принято к внедрению типовое положение о группе горного давления угольной шахты; в четырех производственных объединениях Кузбасса и ПО "Ростовуголь" приняты к использованию "Временные положения о группах горного давления шахт".
Отдельные результаты работы использованы в курсе "Физика горных пород" в Московском горном институте.
Апробация работа Основные результаты диссертации по разделам докладывались, обсуждались и получили одобрение на:
- международных конгрессах, конференциях и симпозиумах:
XII Международном конгрессе по маркшейдерскому делу (Ленинг
рад, 1988); .С
XV Всемирном горном конгрессе (Мадрид, 1992).
10 и 11 Международных конференциях по автоматизации в управлении шахт ( Оетрава, 1990; Екатеринбург, 1992 );
Международном симпозиуме по механике горных пород, горному давлению и управлению состоянием массива горных пород на угольных шахтах КНР и СССР ( Тайань, 1991 );
- Всесоюзных съездах, конференциях, семинарах: Всесоюзных конференциях по механике горных пород (Алма-Ата,1965; Новосибирск,1968; Москва, 1975; Фрунзе,1978; Днепропетровск,1981; Тбилиси,1985; Фрунзе,1989); III Всесоюзном съезде по теоретичес-
.-12-кой и прикладной механике (Москва,1968); Всесоюзных научных конференциях вузов СССР по физике горных пород и процессов ( Москва, 1Ё 5, 1969,1977,1981,1991 ), Всесоюзных конференциях по реологии горных пород (Днепропетровск, 1966; Киев, 1970)ї Всесоюзном научно-техническом семинаре "Опыт использования вычислительных машин на предприятиях и в организациях угольной промышленности" (Донецк, 1971); Всесоюзном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1977); Всесоюзных семинарах по исследованию горного давления и способов охраны капитальных и подготовительных выработок (Новосибирск, 1978; Кемерово, 1984; Фрунзе, 1988; Алма-Ата, 1990 ); III Всесоюзном семинаре "Взаимодействие- механизированных крепей с боковыми породами" (Новосибирск, 1982); II Всесоюзном семинаре" Информатика недр" (банки данных, базы знаний, компьютерные технологии) (Кемерово.1989); IV Всесоюзной конференции по машинной графике (Новосибирск, 1э89); Всесоюзной конференции по развитию производительных сил Сибири, секция "Угольный комплекс-90" (Ленинск-Кузнецкий, 1990).
- научно-технических совещаниях,- конференциях и семинарах: Региональных научно-координационных совещаниях по проблеме горного давления (Кемерово,1964; Новосибирск,1965,1968,1973 -- 1976); конференции по инженерно-физическим проблемам разработки месторождений полезных ископаемых (Ленинград, ЛГИ, 1966); семинарах по аналитическим методам и применению ЭВМ в механике горных пород (Новосибирск, 1970, 1974, 19801 1982); семинаре "Давление горных пород" под руководством акад. В. В. Ржевского (Москва, ЫГИ, 1983).
Разделы работы, внедрявшиеся на угольных шахтах и в производственных объединениях, вошли в экспозицию "Опыт рабсы групп горного давления угольной отрасли" на ВДНХ СССР (1988-1999 гг.), а участие автора отмечено серебряной медалью.
Публикации. По теме диссертации автором выполнено более 140 научных работ, опубликовано 64 научные работы; основные положения и результаты диссертации освежены в 3 монографиях и 60 печатных работах, вышедших в издаш-mX, рекомендованных ВАК для публикации материалов докторских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав и заключения, изложена на 350 страницах машинописного текста, в числе которых 265 страниц текста, 68 рисунков, 6 таблиц, списка литературы из 122 наименований, приложения на 25 страницах. Р приложении даны копии документов о внедрении в практику результатов исследований.
По теме исследований выполнили диссертационные работы 3. и. Мусалимов, В.Е. Миренков и А.Ш. Флейшман, автор был одним из научных руководителей работ.
Автор благодарит чл.-корр. РАН Г. И. Грицко, а также всех работников Лаборатории горного давления Института горного дела СО АН СССР, а затем той яе Лаборатории Института угля СО РАН, где автор проработал много лет, за помощь в проведении исследований.