WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Малый поворот блока как абсолютно твёрдого целого определяется векто ром: = 1 · i + 2 · j+ 3 · k, где i, j, k – единичные орты осей ox, oy, oz.

Компоненты этого вектора находят из выражений (5):

1 1 1 = xoy = (e21 - e12); 2 = xoz = (e13 - e31); 3 = yoz = (e32 - e23), (5) 2 2 где xoy, xoz,yoz – углы поворота блока в плоскостях xoy, xoz, yoz, т.е. вокруг осей oz, oy, ox соответс твенно.

Многолетние геодезические наблюдения за современными движениями земной коры проводились на геодинамическом полигоне, расположенном на поле шахты «Распадская» (рис. 4).

х I С М-Звёздный Ю у Грозовой II -1 -3 --I, II 1 - линия ра злома ; 2 - на блюдательные с танции; 3 - выработанное пространство; 4 - номера блоков Рис. 4. Схема расположения пунктов (наблюдательных станций) на геодинамическом полигоне шахты «Распадская» Результаты измерения среднегодовых смещений опорных пунктов в проекциях на оси декартовой системы координат Oxyz приведены в табл. 1. Оценки главных направлений деформации, главных деформаций и разворотов, условно выделенных блоков I и II представлены в табл. 2 и 3.

Анализ результатов, приведённых в табл. 2 и табл. 3, показывает, что условное разделение на блоки I и II является не вполне правомерным, поскольку обе группы пунктов испытывают примерно одинаковые деформации и имеют близкие значения углов, которые составляют главные направления с осями выбранной системы координат Oxyz.

Таблица Смещение опорных пунктов геодезической сети Компоненты смещений, мм ui vi wi М-26 +19,6 –8,0 80 +3,40 +19,31 –8,6646 +19,8 –0,6 280 +3,44 –19,50 –0,I 7849 +11,4 –4,6 295 +4,82 –10,34 –4,0254 +5,0 +5,0 30 +4,33 +2,50 +5,8777 +19,9 –2,3 76 +4,82 +19,30 –2,Грозовой +8,3 –4,0 21 +7,75 +2,97 –4,II Звёздный +7,3 –4,7 50 +4,69 +5,59 –4,0906 +5,0 –7,5 290 +1,71 –4,70 –7,мм град коры пункт Азимут, Опорный выделенного горизонтальвертикальное блока земной смещение, мм ное смещение, Среднегодовое Среднегодовое Номер условно Таблица Главные направления деформаций и развороты блоков земной коры на поле шахты «Распадская» Угол I Угол I Угол I Угол II Угол II Угол II Углы разворота гл. гл. гл. гл. гл. гл.

блоков, рад напр. напр. напр. напр. напр. напр.

с осью с осью с осью с осью с осью с осью Вокруг Вокруг Вокруг Ox, Oy, Oz, Ox, Oy, Oz, оси Ox оси Oy оси Oz град град град град град град 62 90 28 90 0 90 –2,2·10-6 –8,1·10-6 8,3·10-60 90 30 89 0 91 –2,0·10-6 –7,9·10-6 8,1·10-Доверительные границы главных среднегодовых деформаций были определены согласно t – критерию Стьюдента и в процентах.

Таблица Главные среднегодовые деформации на поле шахты «Распадская», их доверительные границы согласно t –критерию Стьюдента и максимальные ошибки в процентах Но- Максимальная 1, 2, 3, мер ошибка, % отн. ед. отн. ед. отн. ед.

блока mx my mz I 5,69·10-4 ±8,0·10-6 –5,70·10-4 ±3,3·10-5 –3,90·10-5 ±1,3·10-5 1,4 5,8 33,II 6,00·10-4 ±1,3·10-5 –5,50·10-4 ±3,2·10-5 –4,00·10-5 ±1,3·10-5 2,2 5,8 32,Близкие значения деформаций I и II блоков (табл. 3), полученные с помощью 8 наблюдательных пунктов, свидетельс твуют об однородности деформаций.

Расчёты и описание напряжённого состояния горных пород осуществляются многочисленными и разнообразными методами. В этих методиках не рассматривается возможность определения дополнительных напряжений, параметры которых непременно должны учитываться на всех стадиях освоения мес торождений полезных ископаемых.

Приведённые в табл.3 данные позволяют оценить главные и средние дополнительные напряжения для блоков шахты «Распадская» при их сейсмической активизации. Расчёт главных дополнительных напряжений производился по формулам закона Гука.

Главные и средние дополнительные напряжения для блоков I и II шахты «Распадская», рассчитанные при значениях E = 2,5·1010, Па и = 0,27, представлены в табл. 4.

Таблица Главные дополнительные напряжения, обусловленные сейсмической активизацией блоков земной коры поля шахты «Распадская» Номер 1, 2, 3, ср, блока МПа МПа МПа МПа I 10,8 –11,7 –1,2 –0,II 12,0 –10,8 –0,7 0,Такое приращение напряжений в блоках (табл. 4) сравнимо со снимаемым напряжением при землетрясениях. Величина сброшенного напряжения при сильных землетрясениях, как показывают расчеты Д. Тёркота и Дж. Шуберта, лежит в диапазоне 10 – 100 МПа. Дополнительные напряжения при подвижках блоков, вызванные природными и техногенными причинами, явились причиной горного удара тектонического типа, произошедшего на шахте «Распадская» в период проведения геодезических наблюдений. Исходя из наших расчётов, этот горный удар легко было спрогнозировать на основе геодезических измерений смещения блоковых структур в рассматриваемый период времени.

В четвёртой главе представлена разработка метода прогноза влияния геодинамической активности блоковых структур на газовыделение в дейс твующие выработки шахт.

В сейсмоактивных районах блоки испытывают как горизонтальные, так и вертикальные смещения. Рассмотрим систему сил, действующих на блок, считая его для простоты расчётов прямоугольным параллелепипедом (рис. 5).

r Fu – импульсная сила нагрузки;

r Rc – сила вязкого сопротивления;

Fтр – суммарная сила трения, действующая на боковую поверх- ность блока;

Н – высота блока, м;

y – смещение блока от положения равно- весия, м Рис. 5. Схема к расчёту колебаний блока при импульсных воздействиях Суммарную силу трения, дейс твующую на боковую поверхность блока, находим по формуле fd( - )g a H Fmp =, где fd – динамический коэффициент трения; – плотнос ть горных пород, кг/м3;

– плотность воды в порах разлома, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2; a – размеры блока по горизонтали, м; H – высота блока, м.

Применяя условие равновесия блока, находим максимальную силу Fumax, способную сдвигать блок вдоль разломов:

Fumax = 2 fs ( - )g a H + g a2 H, (6) где fs – статический коэффициент трения.

Полагая, что начало координат располагается на поверхности земли (см.

рис. 5) и, обозначая смещение блока от положения равновесия буквой y, запишем уравнение движения блока в виде:

m && = -4Fmp - Q - Rc + Fumax[(t) -(t - )], (7) y где (t) = (1, если t 0 и 0, если t < 0) – функция Хэвисайда;

Q = g a H + c y – сила, действующая на подошву блока; c – жёсткость пород & основания блока, н/м2; Rc = y, – коэффициент вязкого сопротивления на границе разломов, кг/с; m = H a2 – масса блока.

sin Решение уравнения (8) y(t) = e- bt sin (k1t + )+, (8) k1k где b = 2Ha2, с-1; k1 = k - b2 ; k = с Ha2 – собственная час тота колебаний блока, с-1; = m2 fd (1 - w )gH a ; = gfs (1- w )gH a2 ; – сдвиг фазы, определяемый из начальных условий задачи, показывает, что по логарифмическому декременту затухания колебаний можно найти коэффициент вязкого сопротивления, а по величине условного периода колебаний T1 = 2 k1 – жёсткость пород основания c. По остаточному смещению блока ( sin k1k) можно оценить динамический коэффициент трения на берегах разломов fd.

Газосодержание Vg углей определяется двумя составляющими – объёмом сорбированного газа Vs в единице объёма угля и объёмом свободного газа Vf, содержащегося в полостях, трещинах и порах:

Vg = Vs + Vf, м3/м3. (9) Как правило, объём сорбированного газа определяется законом Лэнгмюра:

asbsP Vs =, (10) 1+ bsP где P – давление газа, н/м2; as – предельное газосодержание сорбированного газа при высоких давлениях.

Относительное изменение объёма блока равно:

ymaxa2 ymax = =, (11) a2H H где a – продольный и поперечный размеры блока, м; H – высота блока, м; ymax – максимальное смещение блока при резонансных колебаниях, м.

Максимальный дополнительный объём газа Q, который переходит в свободное состояние при резонансных колебаниях блока, можно оценить следующим образом:

n a, м3, (12) aQ= m s i cos i = n где – угол падения пластов в свите, расположенных в пределах блока;

m – i i=суммарная мощность угольных плас тов в свите, попадающих в рассматриваемый блок, м.

Уравнение вынужденных колебаний блока запишется следующим образом:

2 fd (1- / )gH T &&+ 2by + k y = m + A(t)-t - +(t -T)y & a 3 -t - T +(t - 2T) -t - T +K, (13) 2 где T – период импульсной нагрузки, с; fd – динамический коэффициент трения на границах разломов; (t) – единичная функция Хэвисайда.

Предс тавим периодическую функцию в правой части уравнения (13) её разложением в ряд Фурье и оставим в этом выражении наиболее существенную – первую форму колебаний (первую гармонику):

A 2A f (t) + sint. (14) Уравнение (13) имеет теперь следующий вид:

A 2 A 2 fd (1- / )gH y & &&+ 2by + k2 y = + + sint (15) где = m.

2 a Максимальная динамическая составляющая амплитуды резонансных колебаний блока равна:

A 2g[2Hfs(1 - / )/ a +1]Haymax = =, (16) b c где – коэффициент вязкого сопротивления, кг/с; = k =, Гц; c – a2H коэффициент жёсткос ти пород основания блока, который может быть оценен по Eaформуле c =, где E – модуль Юнга пород основания блока, Па.

H В угольных шахтах ис точниками газовыделения служат разрабатываемые, а также смежные подрабатываемые или надрабатываемые пласты угля и пропластки, вмещающие породы. Выделяются газы через свободную поверхность пласта и из отбитого угля. Прогноз ожидаемого газовыделения осуществляется в настоящее время расчётным методом по природной газоносности пластов с учётом принятой системы разработки и порядка отработки пластов в свите. Полученный таким образом прогноз не содержит газовую составляющую, образуемую при тектонических подвижках.

Для условий шахты «Распадская» была произведена оценка возможного дополнительного газовыделения из угольных пород и пластов при сейсмическом воздействии на блоки. Нами предлагается метод определения дополнительного газовыделения в горные выработки, который учитывает раздробленность шахтного поля на блоки, испытывающие различной природы силовые нагрузки. В расчётную формулу, кроме природной газоносности и физико-механических свойств горных пород и углей, вводятся геометрические параметры блока и суммарная мощность угольных пластов, находящихся в этом блоке.

Различные сейсмические события природного и техногенного характера приводят к резонансным колебаниям блоков, в силу которых выделяется дополнительный объём газа из угольных пород и пластов. Расчёт объёмов дополнительного газовыделения вычислялся по формуле a g [2Hfs (1- w ) a +1]as a2 cos, cH expbH i Q = где as =.

m 1,E i b Исходные данные о физико-технических свойствах и газоносности угольных пород и пластов шахты «Распадская», необходимые для расчёта объёмов дополнительного газовыделения при сейсмическом воздействии на блоки, были взяты из соответствующих справочников (табл. 5).

Таблица Исходные данные для расчёта объёмов дополнительного газовыделения = 2574, кг/м3 0 = 1425, кг/м3 w = 1000, кг/мs = 0,85 в = 0,8, с- = 0,Е = 2,5·104, МПа E= 2,5·1010, Па а = 1,719 b = –3,017·10-3 с = 2,137·10-Н = 150 м; Н = 500 м; Н = 600 м;

На = 5504,28 (м); На = 43604,31 (м); На = 59654,33 (м);

exp(b·150 м) = 0,636 exp(b·500 м) = 0,221 exp(b·600 м) = 0,mi = 10 м mi = 15 м mi = 20 м а = 500 м а = 600 м = 9 cos = 0,Таблица Объём газа, который может дополнительно выделиться из сейсмически активизированных блоков разных размеров mi – суммарная Q – дополнительное Н – высота а – размеры блока мощность угольных блока, м по горизонтали, м газовыделение, мпластов в свите 10 22115,150 15 32517,20 43356,10 92712,500 500 15 139069,20 185425,10 135539,600 15 203308,20 271078,Расчёт дополнительного газовыделения производился для блоков разных размеров, содержащих суммарные мощности угольных пластов 10, 15 и 20 метров. Объёмы возможного дополнительного выделения газов из блоков при их сейсмических подвижках приведены в табл. 6.

Дополнительное выделение больших объёмов газа (табл. 6), являясь производной сейсмических подвижек блоков, увеличивает вероятность воспламенения метана и других газодинамических явлений. Поэтому учёт дополнительного газовыделения из угольных пород и плас тов блоков необходим и важен при проектировании и отработке угольных месторождений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по прогнозу влияния геодинамической активности блоковых структур на напряжённо-деформированное состояние массивов и метановыделение из угольных пластов, обеспечивающее повышение эффективнос ти и безопасности горных работ и имеющее существенное значение для угольной промышленнос ти.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему.

1. Геодинамические процессы, протекающие в недрах Земли и на её поверхности, негативно влияют на многие сферы жизни и деятельности человека. Повышенная сейсмичность южных районов Кузбасса, концентрация открытых и подземных работ и техногенное воздействие на природные процессы приводит к возрастанию числа опасных для людей динамических явлений и усилению их проявлений. Решение вопросов геодинамической безопасности при освоении недр и земной поверхности находится в области исследований взаимодействия блочной структуры территории с техногенной деятельнос тью человека, поскольку расчленённос ть земной коры на блоки различных масштабных уровней характерна для всей литосферы.

2. В районах предполагаемого строительс тва новых шахт перед их проектированием необходимо выполнить геодинамическое районирование этой территории и получить схемы её блочного строения 1 – 4 рангов. Схемы служат основой рационального планирования, проведения различных инженерных изысканий и подготовки более объективных исходных данных для проектирования, организации технологического процесса отработки месторождения и мониторинга за геодинамическим состоянием недр. Использование результатов геодинамического районирования позволяет повысить надежность проектных решений по размещению и строительс тву объектов шахтного комплекса, улучшить технологию и качество отработки мес торождения, разработать комплекс дополнительных мер по обеспечению безопасной эксплуатации горнодобывающего предприятия.

3. Выявление блоковых с труктур 4 ранга на этапе проектирования шахт позволяет определить безопасные места возведения наземных и подземных сооружений и выработок, а также рационально разместить пункты наземной геодезической сети для проведения повторных нивелировок и количес твенной оценки напряжённо-деформированного состояния блоков.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»