Гірничий тиск - основний фактор розвитку динамічних явищ вугленосного масиву
Gespeichert in:
| Datum: | 2008 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Інститут прикладної математики і механіки НАН України
2008
|
| Schriftenreihe: | Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/19978 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Гірничий тиск - основний фактор розвитку динамічних явищ вугленосного масиву / М.М. Андрєєв, В.В. Камишан, М.М. Андрєєв, Р.І. Мануйленко // Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины. — Донецьк: ІПММ НАН України, 2008. — Т. 16. — С. 3-12. — Бібліогр.: 10 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-19978 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-199782011-05-20T12:04:31Z Гірничий тиск - основний фактор розвитку динамічних явищ вугленосного масиву Андрєєв, М.М. Камишан, В.В. Андрєєв, М.М. Мануйленко, Р.І. 2008 Article Гірничий тиск - основний фактор розвитку динамічних явищ вугленосного масиву / М.М. Андрєєв, В.В. Камишан, М.М. Андрєєв, Р.І. Мануйленко // Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины. — Донецьк: ІПММ НАН України, 2008. — Т. 16. — С. 3-12. — Бібліогр.: 10 назв. — укр. 1683-4720 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/19978 539.3:622.411.333:533.17 uk Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины Інститут прикладної математики і механіки НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| format |
Article |
| author |
Андрєєв, М.М. Камишан, В.В. Андрєєв, М.М. Мануйленко, Р.І. |
| spellingShingle |
Андрєєв, М.М. Камишан, В.В. Андрєєв, М.М. Мануйленко, Р.І. Гірничий тиск - основний фактор розвитку динамічних явищ вугленосного масиву Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины |
| author_facet |
Андрєєв, М.М. Камишан, В.В. Андрєєв, М.М. Мануйленко, Р.І. |
| author_sort |
Андрєєв, М.М. |
| title |
Гірничий тиск - основний фактор розвитку динамічних явищ вугленосного масиву |
| title_short |
Гірничий тиск - основний фактор розвитку динамічних явищ вугленосного масиву |
| title_full |
Гірничий тиск - основний фактор розвитку динамічних явищ вугленосного масиву |
| title_fullStr |
Гірничий тиск - основний фактор розвитку динамічних явищ вугленосного масиву |
| title_full_unstemmed |
Гірничий тиск - основний фактор розвитку динамічних явищ вугленосного масиву |
| title_sort |
гірничий тиск - основний фактор розвитку динамічних явищ вугленосного масиву |
| publisher |
Інститут прикладної математики і механіки НАН України |
| publishDate |
2008 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/19978 |
| citation_txt |
Гірничий тиск - основний фактор розвитку динамічних явищ вугленосного масиву / М.М. Андрєєв, В.В. Камишан, М.М. Андрєєв, Р.І. Мануйленко // Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины. — Донецьк: ІПММ НАН України, 2008. — Т. 16. — С. 3-12. — Бібліогр.: 10 назв. — укр. |
| series |
Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины |
| work_keys_str_mv |
AT andrêêvmm gírničijtiskosnovnijfaktorrozvitkudinamíčnihâviŝvuglenosnogomasivu AT kamišanvv gírničijtiskosnovnijfaktorrozvitkudinamíčnihâviŝvuglenosnogomasivu AT andrêêvmm gírničijtiskosnovnijfaktorrozvitkudinamíčnihâviŝvuglenosnogomasivu AT manujlenkorí gírničijtiskosnovnijfaktorrozvitkudinamíčnihâviŝvuglenosnogomasivu |
| first_indexed |
2025-07-02T20:42:58Z |
| last_indexed |
2025-07-02T20:42:58Z |
| _version_ |
1836569307114373120 |
| fulltext |
ISSN 1683-4720 Труды ИПММ НАН Украины. 2008. Том 16
УДК 539.3:622.411.333:533.17
c©2008. М.М. Андрєєв, В.В. Камишан, М.М. Андрєєв, Р.I. Мануйленко
ГIРНИЧИЙ ТИСК – ОСНОВНИЙ ФАКТОР РОЗВИТКУ
ДИНАМIЧНИХ ЯВИЩ ВУГЛЕНОСНОГО МАСИВУ
При вийманнi вугiльного пласта вiдбувається перерозподiл напружень i деформацiй. У вугiллi
можна видiлити зону зростання напружень, зону спадання напружень i зону розвантаження. Пiд
впливом напруженого стану в гiрничому масивi виникають термодинамiчнi явища, утворюються
вода i метан.
Вступ. Аналiзуючи рiзнi погляди на комплекс питань теорiї гiрничого тиску,
варто визнати, що через суперечливiсть уявлень, обумовлених рiзними пiдходами до
сутi розглянутих тих чи iнших окремих або сукупних вихiдних положень, необхiдно
вдосконалити iнженернi методи прогнозу та керування станом вугленосного масиву
для всього рiзноманiття геологiчних i технологiчних параметрiв вiдпрацьовування
вугiльних пластiв [1]. Натурнi спостереження дозволили встановити, що в околi ви-
робленого простору вугленосного масиву формуються звiд розвантаження та зона
техногенних трiщин, обумовленi конвергенцiєю бiчних порiд. Поперед у вугiльного
вибою формується зона опорного тиску i, пов’язанi з ним, зона випереджальних трi-
щин у породному масивi та хвилi Вебера [1]. Породний масив iз розроблювальним
вугiльним пластом моделюється анiзотропним пружно-пластичним середовищем.
1. Визначення напружень у пластi. Розглядається початкова стадiя розроб-
ки вугiльного пласта до змикання порiд покрiвлi та пiдошви. Передбачається, що
вугiльний пласт залягає горизонтально. Глибина розробки позначена Z, координа-
ти крайових положень вугiльного пласта −x1 i x1. Корисна копалина являє собою
пласт, затиснутий навколишнiми породами. Цей пласт пiд дiєю сил при розкриттi
переходить у пластичний стан. Вважаємо вугiльний пласт анiзотропним, товщина
його дорiвнює 2h. Виберемо декартову систему координат, у якiй вiсь х спрямована
уздовж пласта, вiсь z – перпендикулярно пластy до денної поверхнi. Вважаємо, що
вугiлля залягає достатньо протяжно по осi y, має мiсце задача плоскої деформацiї.
Тому як критерiй пластичностi використаємо умову Мiзеса-Хiла
(σx − σz)2
4g2
+ τ2
zx = k2. (1)
Система рiвнянь, що визначають поле напружень i перемiщень, крiм умови пластич-
ностi, мiстить у собi також рiвняння рiвноваги
∂σx
∂x
+
∂τzx
∂z
=
∂σz
∂z
+
∂τzx
∂x
= 0, (2)
рiвняння нестисливостi
∂u
∂x
+
∂w
∂z
= 0 (3)
3
М.М. Андрєєв, В.В. Камишан, М.М. Андрєєв, Р.I. Мануйленко
i рiвняння зв’язку мiж напруженнями та деформацiями
g
2
∂u
∂x − ∂w
∂z
∂u
∂z + ∂w
∂x
= 0. (4)
Тут σx, σz – напруження вздовж вiдповiдних осей, τzx – зсувнi напруження, k =
σzs – межа мiцностi при зсувi, σst – межа мiцностi при стисканнi, g = σst
σzc
– коефiцiєнт
пластичної анiзотропiї, u, w – змiщення вздовж осей x, z. У роботах [2, 3] виведена
формула розподiлу зсувних напружень на контактi пласта i порiд
τzx = ±r(x); r(x) = −k
c(x− x0)√
c2(x− x0)2 + g2
(5)
2h – товщина пласта. Величини с и x0 визначаються експериментально. Значення
c залежить вiд темпу посування вибою. Можливi також граничнi випадки [2, 3].
Для знаходження поля напружень усерединi пласта застосовується чисельний метод
характеристик. Компоненти тензора, записанi у виглядi
σx = g(σ − k sin 2θ); σz = g(σ + k sin 2θ); τzx = k cos 2θ, (6)
задовольняють умовi пластичностi (1). Розв’язання зводиться до знаходження зна-
чень функцiй σ, θ. Система диференцiальних рiвнянь, отримана з рiвнянь пластич-
ностi (2) за допомогою пiдстановки (6), має гiперболiчний тип. Усерединi областi є
2 сiмейства характеристичних лiнiй, у точках перетинання визначаються значення
функцiй σ, θ. Рiвняння характеристик мають вигляд
{dy
dx
= −g ctg 2θ +
√
1 + g2 ctg2 2θ;
gσ
2k
− ψ(θ) = const = α
{dy
dx
= −g ctg 2θ −
√
1 + g2 ctg2 2θ;
gσ
2k
+ ψ(θ) = const = β, (7)
де ψ(θ) =
∫
sin 2θ
√
1 + g2 ctg2 2θ = E
(
2θ,
√
g2−1
g
)
– елiптичний iнтеграл.
Розiб’ємо пласт на зони характеристичними лiнiями. Позначимо координату ви-
бою через x1. У зонi 1 поле напружень рiвномiрне. Зона 2 обмежена двома харак-
Рис. 1. Характеристичнi лiнiї
теристиками та лiнiєю контакту. З межi зон 1 i 2 провeдeмо характеристичнi лiнiї.
Зi спiввiдношень (7) знайдемо координати вузлiв сiтки i значення параметрiв σ, θ
4
Гiрничий тиск – фактор розвитку динамiчних явищ
у вузлових точках. На контактi значення θ визначаються формулами (5) i (6). Так
напруження визначаються в усiй зонi. Лiнiями межi зон 2 i 3 будуть кривi, що вихо-
дять iз середини пласта до контактних поверхонь, абсциси точки перетинання лiнiй
з контактною поверхнею позначимо x2. У зонi 3 маємо початкову характеристичну
задачу. Ця зона обмежена 4 характеристичними лiнiями, на двох iз них напруження
вiдомi. У зонi 4 напруження визначають, як i в зонi 2. Позначимо абсцису точки пе-
ретинання межi зони з лiнiєю контакту через x3. У такий спосiб знайдемо розподiл
напружень у всьому пластi.
2. Обчислення напружень у породах. Далi знайдемо напружений стан нав-
колишнiх порiд. Як i ранiше, напрямок напластування становить вiсь х прямокутної
декартової системи координат, вiсь z спрямована до денної поверхнi. Вихiдний стан
порiд викликаний їх власною вагою i в декартовiй системi координат має вигляд
σ(0)
z = −γ(Z − z); σ(0)
x = −λγ(Z − z); τ (0)
zx = 0, (8)
γ – питома вага гiрничих порiд, λ – коефiцiєнт бiчного розпору.
При розробцi вугiльного пласта до вихiдних напружень додається поле, пов’язане
з виробкою. Тому напруження шукаємо у виглядi суми
σz = σ(0)
z + σ(1)
z ; σx = σ(0)
x + σ(1)
x ; τzx = τ (0)
zx + τ (0)
zx . (9)
Щоби знайти додатковi напруження, необхiдно розв’язати крайову задачу для пiв-
площини як верхньої, так i нижньої. Верхнiй iндекс ’+’ для напружень, перемiщень
i функцiй стосується покрiвлi, верхнiй iндекс ’−’ пiдошви. Якщо iндекс вiдсутнiй,
то рiвнiсть справедлива i для покрiвлi, i для пiдошви. Сформулюємо крайовi умови.
У пластi напруження знайденi. Для спрощення вважаємо, що в кожнiй зонi вони
розподiленi лiнiйно по x.
σz = −γZ(−ak
x
h
+ ck), x ∈ (−xk+1;−xk), y = 0,
σz = −γZ(ak
x
h
+ ck), x ∈ (xk; xk+1), y = 0, k = 1, 2, ..., n− 1. (10)
За межами зони опорного тиску пласт уважається нестисливим.
v+ = h, v− = −h, |x| > xn, y = 0. (11)
У зонi вiльного стану порiд вiдсутнi нормальнi i дотичнi зусилля
σz = τzx = 0, −x1 < x < x1. (12)
З рiвнянь (10)–(12), враховуючи спiввiдношення (8), (9), одержимо крайовi умови
для додаткових напружень. Компоненти напружень i змiщень виражаються через
функцiї узагальнених комплексних змiнних [4]
ξj = x + µjz; σx = 2Re(µ2
1Φ
′
1(ξ1) + µ2
2Φ
′
2(ξ2));
τzx = −2Re(µ1Φ′1(ξ1) + µ2Φ′2(ξ2)); σz = 2Re(Φ′1(ξ1) + Φ′2(ξ2));
u = 2Re(p1Φ1(ξ1) + p2Φ2(ξ2)) + u0; w = 2Re(q1Φ1(ξ1) + q2Φ2(ξ2)) + w0;
pj = A11µ
2
j −A14µj + A13; qj = A13µj +
A33
µj
−A34; j = 1; 2, (13)
5
М.М. Андрєєв, В.В. Камишан, М.М. Андрєєв, Р.I. Мануйленко
A – симетрична (6 × 6) матриця, що виражає спiввiдношення мiж напруженнями
i деформацiями – закон Гука, µj – коренi характеристичного рiвняння [4]. Вплив
виробки має локальний характер, звiдси крайова умова
Φ′1(∞) = Φ′2(∞) = 0. (14)
Розв’язок крайової задачi дається формулою Келдиша-Сєдова [5]
F (ξ) =
1
2
+
∑ akξ/h + ck
2πi
ln
i
√
ξ2 − x2
k+1
√
x2
k+1 − x2
k − ξxk + x2
k+1
xk+1(xk − ξ)
−
−
∑ akξ/h− ck
2πi
ln
i
√
ξ2 − x2
k+1
√
x2
k+1 − x2
k − ξxk − x2
k+1
xk+1(−xk − ξ)
ξ = x + iz; Φ′1(ξ1) =
µ2
µ2 − µ1
F (ξ1); Φ′2(ξ2) =
µ1
µ1 − µ2
F (ξ2). (15)
Умова обмеженостi розв’язку (14) дозволяє знайти межу зони опорного тиску, згiдно
(15) вона перепишеться у виглядi
1
2
+
∑
akx
2
k+1i + akxk
√
x2
k+1 − x2
k + akx
2
ki
π(
√
x2
k+1 − x2
ki− xk)h
− ck
π
ln
xk −
√
x2
k+1 − x2
k
xk+1
= 0.
(16)
Спiввiдношення (16) є трансцендентним рiвнянням, розв’язок якого – дiйсне число.
При п=3 задачу розв’язав С.М.Федотов [6]. При розв’язаннi нашої задачi вихiднi
данi були такими: глибина розробки Z=1000м, питома вага порiд γ = 2.5 · 104H/µ3,
як породу покрiвлi взято пiщанистий сланець, для якого Ex = 1.07 · 1010Πa, Ez =
5.21 · 1010Πa, νxz = 0.41, νzx = 0.19, Gxy = 4.21 · 1010Πa,Gyz = 4.21 · 1010Πa,Gzx =
1.22 · 1010Πa. Характеристичне рiвняння має коренi µ1 = 0.496; µ2 = 3.142; Коор-
динати вибою x1 = 30м, −x1 = −30м. Напруження у вугiльному пластi знайдемо
методом характеристик, границю зони опорного тиску обчислимо з рiвняння (16), а
напруження в породах визначаються формулами (13), (15). У результатi одержимо
x1 = 30; σz = 0; a1 = 0.003; c1 = −0.094; x2 = 31.85; σz = −0.01; a2 = 0.011;
c2 = −0.344; x3 = 33.74; σz = −0.04; a3 = 0.019; c3 = −0.617; x4 = 35.71;
σz = −0.10; a4 = 0.027; c4 = −0.910; x5 = 37.75; σz = −0.21; a5 = 0.037;
c5 = −1.224; x6 = 39.87; σz = −0.39; a6 = 0.043; c6 = −1.549; x7 = 42.10;
σz = −0.59; a7 = 0.051; c7 = −1.886; x8 = 44.43; σz = −0.87; a8 = 0.058;
c8 = −2.225; x9 = 46.87; σz = −1.23; a9 = 0.065; c9 = −2.561; x10 = 49.42;
σz = −1.69; a10 = 0.072; c10 = −2.986; x11 = 52.09; σz = −2.23; a11 = 0.079;
c11 = −3.195; x12 = 54.86; σz = −2.88; a12 = 0.083; c12 = −3.450;
x13 = 57.74; σz = −2.94; n = 13. (17)
6
Гiрничий тиск – фактор розвитку динамiчних явищ
Рис. 2. Вертикальнi напруження поблизу пласта
Дослiдження показують, що при x1 = 30м вертикальнi напруження в пластi до-
сягають величини вихiдного гiрничого тиску на дiлянцi S довжиною вiд 15 до 20м
вiд вибою. Далi напруження зростають, на вiдстанi 30м вiд вибою перевищують за
модулем вихiдний гiрничий тиск удвiчi. Горизонтальнi напруження поблизу вибою
практично рiвнi вихiдним. При вiддаленнi вiд вибою вони зростають по абсолютнiй
величинi, але рiзниця мiж горизонтальними i вертикальними напруженнями все-
рединi пласта зменшується. На рис.3 i 4 показано розподiл напружень у покрiвлi,
бiлим кольором позначено зони розтягуючих напружень, бiльш темний колiр вiдпо-
вiдає сильнiшому стиску.
Рис. 3. Горизонтальнi напруження в покрiвлi
У зонi опорного тиску горизонтальнi напруження можуть за модулем перевер-
шити вертикальнi. Довжина зони опорного тиску досягає 10-15м. Далi напруження
убувають за модулем, i на вiдстанi 70м вiд вибою їх величина мало вiдрiзняється
вiд значення напружень у недоторканому масивi. З даних малюнка видно, що в
областi виробленого простору й поблизу вибою породи перебувають у розвантаже-
ному станi. Далi напруження зростають по абсолютнiй величинi, за межами зони
опорного тиску убувають. Вплив виробки для горизонтальних напружень є бiльш
локальним, нiж для вертикальних, уже при z=40м вони дорiвнюють вихiдному гiр-
ничому тиску. На вертикальнi напруження вплив виробки зберiгається на вiдстанi
7
М.М. Андрєєв, В.В. Камишан, М.М. Андрєєв, Р.I. Мануйленко
Рис. 4. Вертикальнi напруження в покрiвлi
до 100м вiд пласта.
Методи теорiї пружностi та пластичностi дозволяють визначити стан вуглепо-
родного масиву на початковiй стадiї розробки корисної копалини. Надалi слiд ура-
ховувати багато чинникiв, якi впливають на стан масиву, зокрема, процеси руйну-
вання в пластi та породах, динамiчнi явища, утворення в масивi води та метану
тощо.
3. Фiзико-хiмiчнi процеси в масивi. Властивостi вугленосного масиву на-
стiльки рiзноманiтнi й мiнливi в кожному мiсцi ведення гiрничих робiт, що важко
прикласти методи математичної статистики не тiльки для якої-небудь шахти, але
навiть для окремої виробки. I це пов’язано не тiльки з мiнливiстю в широкому дiапа-
зонi товщини тих пластiв, що розвантажують гiрничими роботами вiд геостатичного
тиску, а також iз мiнливiстю їхнiх фiзико-хiмiчних i, насамперед, тривкiсних вла-
стивостей. За даними Л. Вокера геостатичний тиск γ Z перевищує межу мiцностi
порiд на стиск на вiдносно невеликих глибинах Z : глинистих сланцiв i пiщаникiв –
0,75-1,8км, (межа мiцностi змiнюється в дiапазонi 175-420кг/м3), кварциту й мар-
муру – близько 2,5 (700), кристалiчних сланцiв i гранiтiв – 4,2 (1050), базальту –
близько 5,0 (1400). Р.Квапил уважає, що в цих умовах породи втрачають свої кри-
сталiчнi i здобувають пластичнi властивостi. Перебудова кристалiчної структури
призводить до закриття всiх пор i трiщин у масивi, якщо до цього вони були в
мiнералах. Подальше збiльшення навантаження супроводжується нагромадженням
потенцiйної енергiї, що може бути реалiзована збiльшенням щiльностi впакування
молекул i атомiв (пiдвищенням їхнього енергетичного зв’язку) i/або формуванням
перехiдної структури з найбiльшим рiвнем вiльної енергiї – активного комплексу.
Вiдомо, що стратиграфiчна глибина занурення вугiльного пласта марки Д стано-
вить бiльше 3,5км, а суперантрацитiв – сягає за 18км. Опорний тиск на призабiй-
нiй дiлянцi масиву в 1,5-5 разiв перевищує геостатичний. I говорити про генетично
пористо-трiщинувату структуру вугленосного масиву осадових порiд не має сенсу
[1, 7, 8]. Вiдсутнiсть методiв прогнозу змiни вуглепородної товщi при її розвантажен-
нi вiд геостатичного тиску, iгнорування її газоводоносних властивостей призводить
до прорахункiв очiкуваних навантажень на крiплення гiрничих виробок, невизначе-
8
Гiрничий тиск – фактор розвитку динамiчних явищ
ностi мiсць виникнення аномально пiдвищених напружень у вугленосному масивi.
Переважаючим травматичним фактором у вугiльнiй промисловостi незмiнно зали-
шається обвалення гiрничих порiд i падiння шматкiв. А завали гiрничих виробок
нерiдко квалiфiкуються як "раптовi". Науково-дослiднi роботи та розробка iнже-
нерних методiв прогнозу i керування газодинамiчними проявами вугленосного ма-
сиву здiйснюються на основi моделей i гiпотез, яким властивi деякi невiдповiдностi
реальнiй картинi описуваних явищ.
Горюча маса є найслабшою ланкою масиву з погляду його тривкiсних властиво-
стей. На думку деяких фахiвцiв, у породах розпорошена органiчна маса (детрити)
становить вiд 60 до 90% вiд загальної горючої маси вугленосного масиву. У пiщани-
ках її вмiст коливається вiд 1,5 до 5,0%. Тому при дослiдженнi характеру формуван-
ня напружень у масивi довкола виробок слiд ураховувати фiзико-хiмiчнi властивостi
вугiльної речовини не тiльки в пластi, а й у детритах. Найбiльше визнання серед
вуглехiмiкiв одержала макромолекулярна модель горючої маси вугiлля, запропоно-
вана голландським ученим Ван-Кревеленом [1]. Вона представлена 2 структурами:
графiтоподiбним ядром вуглецю (ЯВ) i бiчними ланцюгами (БЛ) – вуглеводами рiз-
ного ступеня полiмеризацiї. Для рiзних типiв вугiлля будується структурна модель,
де частка ЯВ збiльшується з ростом ступеня метаморфiзму вугiлля. Недолiки мо-
делi полягають у тому, що не розкривається механiзм трансформацiї однiєї стадiї
метаморфiзму в iншу та не залишається мiсця для газiв i води, що видiляються з ву-
гiлля при видобуваннi. Глобулярна модель дає картину пористо-сорбцiйнiй гiпотезi
газоємностi пластiв, але не пояснює генетику "материнської" вологостi i не зв’язує
розмiри глобули зi ступенем метаморфiзму вугiлля. Вiдсутнiсть загальновизнаної
надiйної моделi структури горючої маси утрудняє враховувати її властивостi при
вивченнi стану гiрничого масиву. Складнiсть рiшення проблеми полягає в тому, що
при побудовi теоретичних моделей вугленосного масиву найбiльш надiйним є тiль-
ки один параметр – геостатичний тиск у данiй точцi. Перерозподiл напружень у
породному масивi довкола пройденої виробки є функцiєю фiзико-хiмiчних його вла-
стивостей.
До моделi Ван-Кревелена у якостi основного структурного елемента додається
активний комплекс (АК). БЛ представлений вуглеводним полiмером з рiзним енер-
гетичним рiвнем структурних зв’язкiв водню Н, кисню О, вуглецю С; ЯВ – вуглецем
графiтоподiбної структури з найменшим рiвнем вiльної енергiї; АК – iонiзованими
складовими i елементами структур БЛ iз розiрваними зв’язками i максимальним
рiвнем вiльної енергiї. БЛ забезпечують структурний зв’язок мiж макромолекула-
ми. На етапi доiнверсiйного метаморфiзму при зростаннi тиску на вугiльний пласт
вiдбувається деструкцiя частини БЛ iз найменшим рiвнем зв’язкiв i нагромадження
об’єму АК. Зростання АК характеризується збiльшенням рухливостi та ступеня про-
никностi елементiв. При вiдповiдному зовнiшньому тиску на вугiлля i концентрацiї
АК найактивнiша його частина залишає пласт i спрямовується вбiк менших тис-
кiв, формуючи в мiцних i пористих структурах порiд розпорошену органiчну масу
– детрити D. Частина найбiльш активних елементiв вуглецю доповнює структуру
ЯВ. Згiдно з принципом Ле-Шател’є утворення рiдиногазової фази речовини при
9
М.М. Андрєєв, В.В. Камишан, М.М. Андрєєв, Р.I. Мануйленко
цьому виключено [7–9].
Рис. 5. Формування техногенних трiщин довкола виробки i петлi гистерезису поблизу пласта
На рис. 5 показано формування петлi гистерезiсу поблизу вибою. Узагальнена
епюра тиску на пласт: 1 – геостатичний тиск (γ Z ); 2 – зростаючий опорний гiрни-
чий тиск (ОГТ); 3 – спадаючий ОГТ; 4 – спадаючий (менше γ Z ) гiрничий тиск; 5
– надлишковий внутрiшнiй тиск y макромолекулi горючої маси; 6, 7 – надлишковий
вiдносно спадаючого менше γ Z тиск; Зони техногенних трiщин: а-а’ – зона роз-
витку трiщин (ЗРТ); б-б’ – зона промiжного колектора (ЗПК); в-в’ – зона крупних
сколiв (ЗКС); г-г’ – зона контактних трiщин (ЗКТ); д-д’ – зона випереджуючих трi-
щин шириною S (ЗВТ). На етапi постiнверсiйного метаморфiзму зменшення тиску
на вугiльний пласт реалiзується витратою АК, направленого на вiдновлення струк-
тури БЛ макромолекули. Формування молекули води при цьому можливо тiльки
за умови перевищення швидкостi "пiдняття" пласта швидкостi утворення молекули
води. Промисловий метаморфiзм призабiйної частини вугiльного пласта характери-
зується трьома етапами (рис.5): (а) зростанням опорного тиску вiд геостатичного
γZ до максимального опорного νmaxγZ, де νmax – коефiцiєнт концентрацiї тиску на
пласт, максимальний (дiлянка кривої 2 на рис. 5); (б) зниженням опорного тиску до
ν = 1 на дiлянцi L – S, де L – вiдстань вiд вибою до площини максимуму опорно-
го тиску; (дiлянка кривої 3 на рис. 5); (в) зниженням тиску на дiлянцi S, де ν < 1,
(дiлянка кривої 4 на рис.5). На етапi (а) структурнi перетворення макромолекули ву-
гiлля аналогiчнi доiнверсiйному перiоду. Через короткочаснiсть процесу збiльшення
об’єму АК не супроводжується витоком iз пласта вбiк менших тискiв частини його
структури. Доповнення структури ЯВ можливо тiльки якщо ν · γZ > γ Н, де Н –
максимальна глибина стратиграфiчного занурення вугiлля в точцi iнверсiї. На етапi
(б ) структурно-фазовi перетворення макромолекули вугiлля аналогiчнi постiнвер-
сiйному метаморфiзму. Але тут формування молекули води обумовлено протидiєю
зниженню опорного тиску. Якщо на етапi (а) наростаючий опорний тиск стискає
вугiльний пласт, то на етапi (б) внутрiшнiй тиск перевищує знищуючий опорний
i пласт збiльшує свою товщину. Гiстерезис внутрiшнього тиску пласта нiби набли-
жає до вугiльного вибою опорний, i рiзко зростає градiєнт його зниження (дiлянка
кривої 5 на рис. 1). На етапi (в) утворення молекули води недостатньо,щоб ком-
пенсувати зниження тиску, виникає спонтанний процес формування газової фази
10
Гiрничий тиск – фактор розвитку динамiчних явищ
речовини (принцип Ле-Шател’є). На рис.6 показано формування метанових потокiв
у вугiльному пластi при зниженнi гiрничого тиску на пласт менше за геостатичний
унаслiдок промислової метаморфiзацiї горючої маси в координатах: iнтенсивнiсть
потоку, умовнi одиницi – вiдстань вiд даної точки пласта до вибою в метрах.
Рис. 6. Видiлення метану з призабiйної зони
У шахтних умовах експериментальнi дослiдження ефективностi видобування ме-
тану з розроблювального пласта свердловинами, що екранують, показали, що спо-
чатку зi свердловини видiляється вода, а потiм починається iнтенсивне видiлення
метану. Величина S на рiзних шахтах змiнювалася вiд 12,5 до 29,3м. Визначення
мiсць формування молекули метану шляхом зондування розроблювального пласта
у 9-й схiднiй лавi пласта c11 шахти "Пiвденно-Донбаська" №3 виконано методом
магнiтно-резонансної локацiї. За результатами трьох зондувань установлено, що ме-
тан утворився на дiлянцi S, а її розмiр змiнювався вiд 11,8 до 15,6м [10].
Висновки.
1. Макромолекулярна структура горючої маси вугiлля складається iз трьох основ-
них частин: бiчних ланцюгiв, графiтоподiбного ядра i активного комплексу.
2. При вийманнi вугiльного пласта вiдбувається перерозподiл напружень у масивi:
виникають зони розвантаження i зони концентрацiї напружень, у зонi виробленого
простору горизонтальнi напруження можуть бути розтягувальними.
3. Методами теорiї пружностi i пластичностi розраховано розмiри зони розвантажен-
ня S i вiддалення вiд вибою до мiсця максимуму опорного тиску L. Спiввiдношення
S/L спiвпало з результатами натурних спостережень.
4. Гетерогенна структура горючої маси на призабiйнiй частинi вугiльного пласта i
наявнiсть активного комплексу забезпечують нерозривнiсть напружень у всiй об-
ластi її iснування. При дослiдженнi геомеханiчного стану масиву пiсля первинної
посадки покрiвлi слiд ураховувати формування потокiв води i метану та їхнiй вплив
на напружено-деформований стан.
1. Агроскин А.А. Физика угля. – М.: "Недра", 1965. – 315с.
2. Космодамианский А.С., Левшин А.А., Кодак Н.И., Ревва В.Н. Пластическое состояние ани-
зотропного слоя при его сжатии между жесткими плитами // Физика и техника высоких
давлений, 1995. – №1. – С.49-56.
3. Мануйленко Р.И. Метод характеристик в задаче о сжатии пластического слоя // Математи-
ческие модели физических процессов и их свойства. Международный научно-методический
семинар. – Тезисы докладов. – Таганрог, 1997. – С.67.
11
М.М. Андрєєв, В.В. Камишан, М.М. Андрєєв, Р.I. Мануйленко
4. Лехницкий С.Г. Метод характеристик в задаче о сжатии пластического слоя // Математи-
ческие модели физических процессов и их свойства. Международный научно-методический
семинар. – Тезисы докладов. – Таганрог, 1997. – С.67.
5. Мусхелишвили Н.И.Сингулярные интегральные уравнения. – М.: Наука, 1968. – 512с.
6. Левшин А.А., Витушко О.В., Федотов С.Н. Напряженно-деформированное состояние мас-
сива горных пород при разработке пласта полезного ископаемого с изменяющимися упруго-
пластическими свойствами // Геотехническая механика. – Днепропетровск, 2000. – Вып.13 –
С.3-12.
7. Вопросы теории горного давления / Под общей ред. А.А.Борисова. – М.: "Госгортехиздат",
1961. – 300с.
8. Курс физической химии / Под общей ред. Я.И.Герасимова. – М.: "Химия", 1973. – 622с.
9. Хенней Н. Химия твердого тела. – М.: "Мир", 1971. – 224с.
10. Андреев М.М., Камышан В.В., Андреев М.М., Ульянов В.В. Термодинамика угленосного мас-
сива в аспекте пассивной магнитно-резонансной локации недр // Уголь Украины. – 2006. –
№10. – С.36-40.
ТЗОВ "Екометан", м. Донецьк, Україна,
Iнститут прикладної математики i механiки НАН України
khapilova@iamm.ac.donetsk.ua
Получено 19.05.08
12
|