Обґрунтування методики визначення місцезнаходження областей локалізації геодинамічних явищ при інтенсивному відпрацюванні вугільних пластів

Оцінена доля потенційної енергії, що виділяється при обваленні завислого шару потужністю 10 м і розмірами в декілька десятків метрів в плані. Величина цієї енергії складає 40 МДж і більше, що добре узгоджується з експериментальними даними. Показано, що максимальна енергія сейсмічних коливань виділяється при обваленні зависань міцних потужних шарів пісковику, тоді як утворення тріщин в зоні динамічного опорного тиску і обвалення консольних зависань генерують меншу величину енергії. Сказане підтверджується результатами моделювання активної стадії зсувів підробленої порідної товщі за допомогою методу дискретних елементів. Моделювання процесу активних зсувів здійснювалося для глибини залягання 800 м, потужності пласта 2,0 м, довжини лави 200 м (рис.1).

Товща, що підроблюється, при цьому містила близько 30% шарів міцного пісковику. Переміщення бічних стінок моделі обмежене в горизонтальному, а нижньої у вертикальному напрямі. Бракуючу вагу вищерозташованої товщі замінювали розподіленим навантаженням на верхній межі моделі. Як показано на фрагменті процес зсування протікав нерівномірно. Кожного разу, коли процес повних зсувів досягав підошви міцного шару, зсування припинялися, виникало зависання вищерозташованої товщі, що видно по горизонтальним ділянкам діаграми зсувів. Потім слідувало обвалення, при цьому у вміщаючому масиві виникали значні прискорення. Величини прискорення областей масиву, що брав участь в зависаннях і подальших обваленнях на 1-2 порядки вищі, ніж прискорення блоків в межах зони опорного тиску у момент виникнення тріщин зрушення. Це означає, що максимальна сейсмічна енергія виділяється у момент обвалення зависаючих міцних породних шарів. 

Існуючі на сьогодні математичні моделі не дозволяють безпосередньо вирішити задачу прогнозування динамічної активності товщі порід, що підроблюється, через нереально високу трудомісткість обчислень при моделюванні тривимірних нелінійних перерозподілів напружень і деформацій з урахуванням посування очисного вибою, його примикання до раніше виробленого простору довільної форми і необхідності рішення зв'язаної задачі про руйнування масиву і розповсюдження в ньому сейсмічних хвиль. 

На сьогодні відома емпірична формула Біалека Є. для розрахунку інтенсивності сейсмічної енергії. Цей важливий показник динамічності зсувів обчислюється через добуток так званого “індексу деформованості” земної поверхні на його похідну за часом. Як індекс деформованості, використовуються функції осідань і нахилів земної поверхні. Проте ні осідання, ні нахили не характеризують процес динамічних руйнувань. Для ідентифікації руйнування необхідно використовувати відомі критерії міцності, які залежать від діючих напружень. Як такий параметр в даній роботі використане еквівалентне напруження, яке обчислюється за допомогою критерію міцності породи. З урахуванням сказаного формула для розрахунку інтенсивності вивільнення потенційної енергії набуває вигляду:

 

I = уe ( dуe / dt ),

 

де уе - еквівалентне напруження, t - час. 

 

Для усунення проблеми розмірності еквівалентні напруження зводилися до розподіленої ваги порідних шарів, а час нормувався з урахуванням періоду посадки основної покрівлі. 

Модифікована емпірична формула Біалека Є. спільно з критерієм міцності Шашенка-Парчевського дає можливість уникнути необхідності рішення дуже складної зв'язаної задачі і одержувати інтенсивність вивільнення потенційної енергії (ВПЕ) простим емпіричним шляхом без рішення системи диференціальних рівнянь, що описують розповсюдження сейсмічних хвиль. 

Для практичних цілей в більшості випадків немає необхідності знати розподіл енергії по глибині масиву. Так при рішенні задачі про оцінку небезпеки сейсмічних коливань для наземних об'єктів і споруд фахівці оперують щільністю енергії, зведеною до рівня земної поверхні. Те ж саме стосується і такої практичної задачі, як оцінка небезпеки скупчення вибухонебезпечного газу в підземних порожнинах, тимчасово виникаючих в зоні активних зсувів під міцними шарами пісковиків, що зависають. Оскільки свердловини для відведення цього газу бурять із земної поверхні, важливо знати лише місце проекції підземної порожнини на цю поверхню. Важливо також врахувати, що висота, з якої газ з супутників і пісковиків може поступати у вироблений простір діючої лави, не перевищує 150 m, де m - потужність, що виймається. Це виключає необхідність обліку товщі, що підроблюється, на всю глибину. Вказані обставини знижують вимоги до рішення поставленої задачі і дають можливість застосувати простіші моделі для розрахунку напружень і деформацій в товщі порід, що підроблюється рухомим очисним вибоєм.

Для цього розглянемо товщу порід, що підроблюється, як товсту плиту, що спирається на неоднорідний фундамент 3 і що прогинається під власною вагою q. 

Жорсткість фундаменту 3 залежить від наявності вироблених просторів і сумарної потужності m пластів, що виймається. Позиціями 1 і 2 вказані раніше вироблений простір і той, який формується діючою лавою. В результаті відпрацювання лав на земній поверхні 4 формується мульда зсувів 5. Розподіл напружень і деформацій в товстій плиті потужністю 150 m можна знайти за допомогою тривимірних моделей, недоліки яких описані вище. Проте, якщо замінити товсту плиту тонкою, можна підібрати такі еквівалентні величини жорсткості фундаменту і деформаційних параметрів плити, при яких деякі параметри напружено-деформованого стану відповідатимуть фактичним. Наприклад, за допомогою такої моделі можна з високою достовірністю прогнозувати параметри мульди зсувів на земній поверхні (зокрема її осідання, оскільки основне ущільнення товщі відбувається в межах 150 m), а також прогинання і напруження в породних шарах в межах підробленої товщі на висоту 150 m.

Напружено-деформований стан тонкої плити буде лише приблизно і інтегрально описувати реальний стан масиву в межах 150 m. Проте в якісному плані основні характеристики напружено-деформованого стану