» » Локальный прогноз инженерно-геологических условий глубоких горизонтов угольных месторождений

Локальный прогноз инженерно-геологических условий глубоких горизонтов угольных месторождений

03.08.2016

Локальный уровень прогнозной оценки инженерно-геологических условий применяется непосредственно при строительстве и эксплуатации горно-добывающих предприятий. Прогнозирование заключается в количественной оценке как отдельных показателей свойств, так и комплекса геологических факторов, влияющих на их формирование.
В качестве методов прогнозирования на этом уровне рекомендуются метод инженерно-геологического анализа и аналитические методы.
Метод инженерно-геологического анализа. Промышленное освоение глубоких горизонтов угольных месторождений выдвинуло в качестве важнейшей проблемы необходимость разработки высокоэффективного метода прогнозной оценки инженерно-геологических условий угольных месторождений и прогноза поведения пород в горных выработках при локальном уровне. Достижения в области горного дела, угольной геологии, геофизики, механики горных пород, инженерной геологии и внедрение в практику исследований моделирования и математических методов прогноза создали предпосылки для разработки количественного метода прогнозной оценки инженерно-геологических условий эксплуатации. Для этого использовался метод инженерно-геологического анализа, который базируется на применении факторного и корреляционного анализа.
Назначение факторного анализа — нахождение оптимальной системы признаков, характеризующих инженерно-геологические явления, процессы и устойчивость пород. Факторами называют гипотетические параметры, которые полностью предопределяют значения некоторых групп наблюдаемых (изучаемых) признаков. Факторы представляют собой новые расчетные признаки, каждый из которых является новой характеристикой изучаемого объекта. При использовании методов факторного анализа исследуется структура матриц ковариаций или корреляций, что приводит к сжатию информации.
Алгоритм решения задачи нахождения оптимальной системы признаков (сокращения пространства признаков) с помощью факторного анализа предусматривает нормирование (стандартизацию) данных, вычисление элементов корреляционной матрицы, а также средних и дисперсий по признакам. Далее производится факторное преобразование и вычисляются: процент вкладов факторов в суммарную общность; коэффициенты при ортогональных факторах; корреляции признаков с косоугольными факторами; коэффициенты при косоугольных факторах; матрицы корреляций между косоугольными факторами; матрица коэффициентов при параметрах; значения факторов. После нахождения косоугольных факторов и их матрицы факторное преобразование повторяется, причем косоугольные факторы принимаются за начальные данные. Так продолжается до тех пор, пока не останется лишь один фактор k-го порядка.
В соответствии с изложенным подходом для инженерногеологических условий глубоких горизонтов угольных месторождений Восточного Донбасса на основании метода главных компонент определены нагрузки на собственные вектора (главные компоненты). Первые два собственных вектора обусловливают 92,5 % дисперсии изучаемого множества данных (σсж — прочность пород на сжатие; q — показатель структурного ослабления; L — показатель текстурного ослабления; у — плотность; H — глубина; А — показатель анизотропии; T — трещиноватость; Л — литологический состав).
Первый вектор, представляющий 55,3 % общей дисперсии, дает наибольшие вклады в переменные σсж, γ и Н, а второй, представляющий 47,2 % дисперсии, — в переменные q, L, А. Таким образом, первая главная компонента характеризует напряженное состояние пород, а вторая — его геологическое строение. Необходимо также отметить, что на третий собственный вектор приходится 7,5 % общей дисперсии, причем, наибольший вклад приходится на трещиноватость. На рис. 8.7 дано графическое представление нагрузки на главные компоненты, определяющие инженерно-геологическое состояние массива горных пород.
Локальный прогноз инженерно-геологических условий глубоких горизонтов угольных месторождений

При анализе различных процессов, наряду с решением вопроса об уменьшении числа существенно влияющих факторов, также устанавливалась связь между основными геологическими факторами и геоиндикатором устойчивости пород. Под геоиндикатором устойчивости понимается интегрированный показатель, характеризующий способность пород сопротивляться без искусственного закрепления проявлениям различных процессов и явлений в горных выработках и отражающий взаимосвязь изменчивости системообразующих инженерно-геологических факторов, обусловливающих напряженное состояние массива горных пород. При этом модель устойчивости пород в общем виде представлена зависимостью
K(i) = f(σсж, q, L, γ, H, А),

где K — геоиндикатор устойчивости; i — вариант по кровле или почве угольного пласта; σсж — прочность пород на сжатие, кг/см2; q — показатель структурного ослабления; L — показатель текстурного ослабления; γ — плотность, г/cм3; Н — глубина, м; А — показатель анизотропии инженерно-геологических свойств.
Использование метода инженерно-геологического анализа рассмотрено для условий Каменско-Гундоровского геологопромышленного района. В геологическом отношении изучаемый район приурочен к северной полосе мелкой складчатости. После обработки информации установлено, что устойчивость пород зависит прежде всего от литологического состава, слоистости, трещиноватости, прочности на сжатие и глубины залегания. По полученным взаимоотношениям устанавливалась зависимость геоиндикатора устойчивости пород кровли или почвы угольных пластов Донбасса.
А. В кровле горных выработок.
1. Весьма устойчивые породы (К ≥ 2,0/2,5 и более) — отсутствует разрушение пород от геостатического давления и технологических причин; выработка сохраняет форму и размеры в течение всего срока службы.
2. Устойчивые породы (К = 1,5/2,0) — локальное развитие зон разрушения от геостатического давления и возникновение технологической трещиноватости; в выработке проявляется незначительное смещение пород, а ее формы и размеры сохраняются в течение длительного срока службы: как правило, более двух лет.
3. Относительно устойчивые породы (К = 1,0/1,5) — незначительное общее развитие зон разрушения характеризуется средними величинами деформирования пород и небольшими нагрузками на крепь, затухающими во времени; возможно образование значительных зон вывалов кровли выработок в трещиноватых породах.
4. Неустойчивые породы (К = 1,0/0,5) — существенное развитие зон неупругого деформирования и разрушения, значительные величины деформирования пород, большие нагрузки на крепь, слабо затухающие или затухающие во времени.
5. Весьма неустойчивые (К ≤ 0,5) — существенное развитие зон неупругого деформирования и разрушения пород, значительные нагрузки на крепь, развивающиеся в течение длительного времени, часто в течение всего срока службы выработки.
Б. В почве горных выработок.
Для типизации степени устойчивости пород почвы принята высота их пучения в течение трех лет.
1. Весьма устойчивые породы (К ≥ 2,0/2,5) — пучение не происходит.
2. Устойчивые породы (К = 1,5/2,0) — пучение не превышает 0,1 м.
3. Относительно устойчивые породы (К = 1,0/1,5) — пучение составляет 0,3—0,5 м.
4. Неустойчивые породы (К = 0,5/1,0) — пучение составляет 0,5—1,0 м.
5. Весьма неустойчивые породы (К ≤ 0,5) — пучение более 1,0 м, часто в течение 4—6 мес выработка запечатывается полностью.
Коэффициенты структурного и текстурного ослабления получены экспериментальным путем (табл. 8.14.).
По результатам шахтных наблюдений и обработки полученной информации построен график граничных условий устойчивости боковых пород Восточного Донбасса, выражаемой геоиндикатором устойчивости пород в горных выработках (рис. 8.8). На этом графике выделяются зоны неустойчивого состояния пород в обнажениях горных выработок, пройденных вкрест простирания или по падению пород, а также в штрекообразных выработках. Характеристика устойчивости пород в зависимости от полученного коэффициента приведена в табл. 8.15.
Локальный прогноз инженерно-геологических условий глубоких горизонтов угольных месторождений
Локальный прогноз инженерно-геологических условий глубоких горизонтов угольных месторождений

Кроме того, появилась возможность прогноза выбросоопасности кварцевых песчаников. При этом было установлено, что если геостатическое давление — гравитационная нагрузка — превышала прочность пород на сжатие в массиве в 4 раза и более, то породы, как правило, проявляли в горных выработках склонность к внезапным выбросам (рис. 8.9).
В результате использования на практике геоиндикатора устойчивости в условиях Восточного Донбасса появилась возможность на различных стадиях геологоразведочных работ и в процессе эксплуатации оценивать граничные условия поведения пород в горных выработках глубоких горизонтов угольных месторождений на основе прогнозных инженерно-геологических карт пород кровли или почвы угольных пластов.
Локальный прогноз инженерно-геологических условий глубоких горизонтов угольных месторождений

К этим картам, как к моделям горного массива, предназначенным для прогнозной оценки инженерно-геологических условий освоения глубоких горизонтов, предъявляются принципиально новые требования. Модель, во-первых, представлялась как модель глубоко залегающего массива с наиболее характерными свойствами и выражалась как в графической, так и в математической форме; во-вторых, содержала показатели инженерно-геологических свойств пород; в-третьих, учитывала изменения инженерно-геологических свойств пород по площади и глубине залегания и их статическую природу. Указанные изменения содержали как закономерные колебания, связанные с неоднородностью изучаемых объектов, так и случайные ошибки, обусловленные недостаточной точностью методов определения отдельных характеристик.
Поскольку массив формируется под влиянием различных природных факторов, его модель содержала несколько количественных характеристик; трещиноватость, слоистость, прочность, упругие свойства и т.д. В результате их обработки установлено, что все параметры инженерно-геологических свойств, кроме объемной массы, характеризуются значительной изменчивостью (коэффициент вариации ≥ 60 %). Все данные инженерно-геологических свойств пород выносились на плоские модели — карты. Каждая из таких карт несет сравнительно малую информационную нагрузку. Поэтому для прогнозной оценки устойчивости боковых пород угольных месторождений, залегающих на значительной глубине, предложена обобщенная карта с учетом всех основных инженерно-геологических характеристик массива.
Аналитические методы. Эти методы широко используются специалистами горного профиля при решении конкретных инженерных задач в процессе горно-эксплуатационных работ и при локальных исследованиях с целью прогнозной оценки отдельных инженерно-геологических процессов.
Подобными примерами могут служить пространственно-временные прогнозы сдвижения массива пород в окрестностях горных выработок на основе шахтных инструментальных наблюдений, выполненные сотрудниками Института геомеханики АН Украины (Б.С. Усаченко и др.) по ряду глубоких шахт Донбасса. На основе шахтных замеров построены графики в системе координат U — t, где U — величина смещений вне зоны очистных работ, мм, t — время с момента проведения выработки, мес. Как видно из рис. 8.10, полученные кривые, выходящие из начала координат, увеличивают свою кривизну по мере увеличения глубины.
Анализ результатов инструментальных наблюдений, опубликованных в работе Б.М. Усаченко, с учетом исследований в массиве шахт Восточного Донбасса позволил установить степень влияния различных геологических факторов на величину смещения контура выработки.
Локальный прогноз инженерно-геологических условий глубоких горизонтов угольных месторождений

Вместо отношения γН/σсж, предложенного Б.М. Усаченко, рекомендуется использовать отношение
Локальный прогноз инженерно-геологических условий глубоких горизонтов угольных месторождений

где γ — плотность пород, г/см3; H — глубина заложения выработки, м; σсж — прочность на сжатие, кг/см2; q — коэффициент структурного ослабления; L — коэффициент текстурного ослабления.
Отсюда величина смещения U пород в кровле Uк, почве Uп и с боков Uб выработки определяется уравнениями:
Локальный прогноз инженерно-геологических условий глубоких горизонтов угольных месторождений

где А, В, K1, К2 — эмпирические коэффициенты; b, h — соответственно ширина и высота проектируемой выработки.
Таким образом, прогнозную оценку инженерно-геологических условий безопасного освоения подземного пространства глубоких горизонтов угольных месторождений следует проводить на основе информативных параметров, характеризующих строение и состояние углепородного массива, используя при этом зависимости между характером и интенсивностью деформаций пород и напряженным состоянием, нарушенностью, слоистостью и механической прочностью.