МИНИСТЕРСТВО ГЕОЛОГИИ СССР ДОНБАССКАЯ НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ

ВРЕМЕННОЕ РУКОВОДСТВО ПО ПРИМЕНЕНИЮ ВЕРОЯТНОСТНО-СТАТИСТИЧЕСКОГО МЕТОДА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ УГЛЕВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД В ОЧИСТНЫХ ВЫРАБОТКАХ

Донбасса по геологоразведочным

ДАННЫМ

Росто»-н«-Дсжу

1974

Министерство геологии СССР Донбасская научно-исследовательская лаборатория

ВРЕМЕННОЕ РУКОВОДСТВО ПО ПРИМЕНЕНИЮ ВЕРОЯТНОСТНО-СТАТИСТИЧЕСКОГО МЕТОДА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ УГЛЕВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД В ОЧИСТНЫХ ВЫРАБОТКАХ ДОНБАССА ПО ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫМ ДАННЫМ

Ростс»-на-Дону

1874

Таблица 2

Факторы, рокомондуамыо дли прогнозного распознавании основных типов кровель и почв угольных пластов Донбасса

10

К неустойчивым    и гчпи роле твои и ым кровлям

ОТНОСЯТСЯ СЛОМ пород ИЛИ СЛООВЫО НОЧКИ, допуокдиицнп л и шь небольшие по илощлдн обнажения и требующие надежного крепления сразу же вслед за выемкой угля. К/ik про вило, он и находятся в состоянии, когда даже незначительное изменение геологических условий, снижающее их несущую способность, приводит к необходимости прекращении горных работ из-за повышенной опасности. С р о д и о у с т о й ч и в ы м и именуются непосредственные кровли, допускающие обнажение на относительно большой площади, без поддержании немедленно .за выемкой. Со сроднеустойчивымн кровлями бывают связаны такие опасные явления как корженне и куполение пород, обыгрывание крепи и т. и. У с т о и ч и в ы м и считаются непосредственные кровли, допускающие значителькос обнажение; существенные осложнения в процессе ведении очистных работ для них но характерны (Горное дело. Терминологический словарь, 1065).

Т р у д и о о б р у ш а ю m и м и с я (тяжелыми) мы называем основные кровли с бурными осадками, создающими повышенную опасность завала лав. К среднеобру-ш а ю щ и м с я относится основные кровли, при осадка х которых происходят воздушные улары и частично нарушается крепь очистных и обслуживающих их выработок, а к лег-кообрушаюшнмся - кровли, первичные и вторичные осадки которых без специальных наблюдений и измерений не фиксируются либо проявляются лишь в «1юрмо звуковых эффектов, не приводя к нарушению состояния выработок и установленной в них крепи.

П лавноопускающимися являются основные кровли, сближение которых с почвой в выработанном пространстве происходит непрерывно, без существенного нарушения сплошности слоев и отчетливо выраженного периодического усиления горного давления.

Н е п у ч а ш и м и мы называем непосредственные nov вы, выдавливание которых в подземные выработки не ощущается. Слабо пучащими называются почвы, смещение которых на контурах выработок происходит со скоростью не более 1 см в месяц,    практически не влияя

на эффективность горных работ. Умеренно п у -

11

ч а щ и м и считаются непосредственные почвы, смещающиеся со скоростью от 1 до 5 см в месяц.    Основным

типом осложнений, обусловленных таким пучением, является перекос рельсовых путей. Интенсивно пучащими являются непосредственные почвы, выжимание которых происходит с вертикальной скоростью более 5 см в месяц и обычно сопровождается выводом из строя деревян ной, металлической и бетонной крепи. При наличии интенсивно пучащей почвы значительно чаще, чем в других случаях, до 3-4 раз в году, требуется производить ремонт подготовительны х выработок и перестилать проложенные в них рельсовые пути.

Оценка геологических факторов, используемых

при прогнозировании по материалам геологоразведочных работ

Фациальная принадлежность отложений должна определяться по результатам документа ц и и керна. Для реализации рекомендуемого метода достаточно различать фации глинистых осадков материкового моря (МГ),алев-ритовых осадков материкового моря (МА), глинистых осадков лагун и заливов (ПГ), песчано-алевритовых осадков зоны волновой ряби заливно-лагунного побережья (ПВ), глинисто-алевритовых и песчаных осадков приморских озер (ПО), углистоглинистых осадков заиливающихся частей обводненных торфяных болот (БЗ) и песчаных русловых осадков (АР). Критерии^ позволяющие выделять эти фации, подробно охарактеризованы в атласе литогенетических типов угленосных отложений среднего карбона Донбасса (Ботвинника Л.Н., Жемчужников Ю.А_П и др. Атлас литогенетических типов угленосных отложени й среднего карбона Донецкого бассейна. М., Изд-во АН СССР, 1956).

Фация МГ распознается главным образом по глинистому составу относящихся к ней отложений, наличию остатков морской фауны, однородности (отмученности) и горизонтальной слоистости осадочного материала. Нередко отмечается послойное обогащение пород карбонатом. Наиболее характерна для отложени.., непосредственно покрывающих угольные пласты.

12

Фация МА отличается от предыдущей лишь преимущественным развитием в породах терригенных частиц алевритовой размерности (более 0,005 мм), что обычно отражается на общем облике пород.

Фация ПГ различается по наличию глинистых отложений с неодинаковой степенью отсортированное™, неясной "схрытого-ризонтальной* или слегка волнистой слоистости, наличию остатков растительного детрита и фауны, характерной для опресненных вод (остракоды и др.). Соответствующие ей отложения обычно залегают непосредственно над угольными пластами.

Фация ПВ бывает представлена алевролитами и мелкозернистыми песчаниками со средней и непостоянной отсортироваи-ностью, неоднородностью гранулометрического состава, прерывистой мелковолнистой, мелкой косоволнистой и линзовидной слоистостью; принадлежащие к ней отложения обычно залегают на более тонкозернистых осадках фации ПГ.

Фация ПО выделяется по наличию аргиллитов, алевролитов и мелкозернистых, редко - среднеэернистых песчаников с горизонтальной слоистостью, плитчатым расколом, обильными, расположенными по наслоению, растительными остатками, а также по малой (не более 1-2 м) мощности слоев. Характерным является залегание этой фации под болотными осадками почвы угольных пластов, частое чередование с отложениями фации ПВ, а нередко - залегание непосредственно над углем.

Фация БЗ различается по наличию углистых и углистолистоватых аргиллитов с незначительной примесью мелкоалевритового материала, равномерно или послойно распределенного в породе. Текстура - тонхогоризонтально-слоистая, в большом количестве присутствует мелкая солоноватоводная фауна (антракозады и др.), мощность слоев обычно не превышает 0,2-1,0 м.

Фация АР характеризуется разнозеряистымв песчаниками, гравелитами, иногда - конгломератами, средне- и плохоот-сортироваяными, с угловато-окатанными зернами, отчетливо слоистой текстурой, хорошо выраженной крупной косой однонаправленной слоистостью. Мощность слоев обычно не превышает 15-20 м, залегают они в междупластьях, лишь иногда

непосредственно соприкасаясь с кровлей и почвой угольных пластов.

Литологическая принадлежность пород определяется по керну разведочных скважин путем его макроскопического изучения и сопоставления с образцами эталонной коллекции.

Степень постдиагенетического преобразования пород следует оценивать по марочному составу сопутствующих им углей. Последний устанавливается соответственно данным углехимических анализов по выходу летучих или по результата м изучения отражательной способности углей и, как правило, бывает известен геологам уже на ранних стадиях разведки.

Содержание серы в углях также устанавливается по данный химического изучения керновых проб.

Прочность пород на сжатие определяется в лабораторных условиях или различными косвенными методами.

В качестве наиболее вероятной мощности ложной кровли необходимо принимать расстояние между верхним контактом угольного пласта и ближайшей к нему поверхностью ослабления, связанной с наличием углистых прослойков в аргиллитах, резких стратиграфических контактов, поверхностей размыва, трещин пластовой отдельности и т. п. Мощность непосредственной кровли оценивается расстоянием от поверхности ложной кровли до нижнего контакта первого надугольного слоя относительно прочных пород (песчаников или известняков) с мощностью более 0,7 м. При значительной удаленности таких пород от разрабатываемого пласта в качестве вероятной мощности непосредственной кровли должна приниматься пятикра'г-ная выемочная мощность разведуемого пласта (совместно с ложной кровлей).

Отношение мощности непосредственной кровли к выемочной мощности угольного пласта при определении типа основ ной кровли следует приближенно оценивать частным от деления расчетной мощности непосредственной кровли на нормальную мощность угольного пласта.

Мощность основной кровли оценивается толщиной слоя пород, залегающего над непосредственной кровлей.

Мощность непосредственной почвы - толщина слоя механически слабых пород, залегающих в промежутке между разве-дуемым пластом и нижележащим, ближайшим к нему слоем относительно прочных песчаников или известняков.

14

Положенно разведуемого участка в складчатой структуре описывается его принадлежностью к нижним, средним либо верхним частям крыльев синклиналей и антиклиналей. Полный профиль соответствующих складок отстраивается путем простейшей графической реконструкции размытых частей разреза продуктивной толщи на геологическом разрезе.

Углы падения угольных пластов и вмещающих их пород так же, как и в предыдущем случае, следует определять по результатам графических построений - геологическим разрезам.

Частота трещиноватости 'а ^г оценивается но формуле:

К* Sitt оС

где ci. - угол между направлением трещин данной системы и осью скважины, по керну которой они фиксируются;

(х - среднее расстояние между соседними трещинами наиболее интенсивно развитой системы по той же скважине.

Обводненность пород оценивается по значениям расчетных водопритоков в выработки по данным гидрогеологических исследований.

Геологический смысл и способы выражения других существенных геологических факторов в специальном пояснении не нуждаются.

Предлагаемая методика предусматривает дифференцированную оценку устойчивости отдельных слоев и слоевых пачек углевмещающих пород в следующей последовательности;

а)    основная кровля,

б)    непосредственная почва,

в)    ложная кровля,

г)    непосредственная кровля.

При ручном варианте расчета необходимо заранее подготавливать специальные таблицы, одна из которых ( табл. 3 ) приводится здесь в качестве примера. В первый столбец расчетной таблицы заносятся все возможные типы прогнозируемых кровель и почв, например, устойчивая, среднеустойчивая и неустойчивая непосредственная кровли. В столбец 2 записываются квазиапрнорныо вероятности этих типов из при лен-

15

УДК 519.2 : 553.93/96.001.4 : 550.812.14 ( 477.61/62)

Настоящее руководство составлено по материалам научно-исследовательской работы "Выявление и изучение основ ны х геологических факторов, влияющих на устойчивость углевмешающих пород, и прогноз устойчивости по материалам геологоразведочных работ". Исследования по данной теме выполнены в Донбасской научно-исследовательской лаборатории по заданию управления твердых горючих ископаемых Министерства геологии СССР. Руководство предназначается для геологов, занимающихся прогнозом устойчивости углевмещающих пород в очистных выработках. В основу предлагаемой методики положены научные принципы статистической обработки и использования результатов натурных наблюдений в шахтах, впервые предложенные профессором Московского горного института И.Л.Черняком и получившие дальнейшее развитие в результате исследовании, проведенных в ДонбассНИЛ.

Опытно-промышленная проверка метода проведена в тресте "Артемгеология" МГ УССР. При этом установлена удовлетворительная сходимость расчетных и фактических данных, что свидетельствует о возможности его использования в Донецком и дальнейшей апробации в аналогичных угольных бассейнах страны.

Составители руководства - кандидат геолого-минералогических наук Б.В.СМИРНОВ (руководитель), инженеры Э.Л.БАРОНЬЯН, Ю.П.БРУЙКО, А.И.ДЫМНА, Б.Д. ТРУНОВ, Л. К. ШЕВЧЕНКО.

Научные редакторы - профессор, доктор геолого-минералогических наук Н. И. ПОГРЕБНОВ и профессор, доктор геолого-минералогических наук Г. Г. СКВОРЦОВ.

© Донбасская научно-исследовательская лаборатория (ДонбассНИЛ), 1974

ВВЕДЕНИЕ

Как показали специальны© исследования, проведенные в ДонбассНИЛ, устойчивость пород кровли и почвы угольных пластов Донбасса и соответствующие условия разработки углей определяются довольно широким комплексом естественно-геологических и технологических факторов. Это обстоятельство в значительной мере сказывается на достоверности существующих методов прогнозирования, большинство которых основано на использовании ограниченного числа геологических и прочих критериев.

Другой особенностью горно-геологического прогнозирования является лишь относительная достоверность его результатов, то есть невозможность гарантированного получения абсолютно точных выводов о будущем состоянии интересующих нас объектов.

Многофакторной обусловленности горно-геологических процессов и явлений и вероятностному характеру прогнозов в значительной мере соответствуют статистические методы прогнозирования и, в частности, методы, основанные на применении теоремы Байеса. Приоритет использования этой теоремы для решения горно-геологических задач принадлежит профессору Московского горного института И.Л. Черняку ( Заславский Ю.З., Зорин А. Н., Черняк И. Л. Расчоты параметров крепи глубоких шахт. Киев, 'Техника*, 1972).В Донбасской научно-исследовательской лаборатории тоорома Байеса использована для распознавания различных по степени устойчивости ложных, непосредственных и основных кроволь, а также непосредственных почв угольных пластов ^х) применительно к прогнозированию горно-геологических процессов в

х) Здесь и далее понятия 'ложная кровля', 'непосредственная кровля', 'основная кровля', 'непосредственная почва' употребляются в соответствии с терминологией рекомендованной Институтом горного дола им. А.А.Ско-чинского. (Горное дело. Терминологический словарь • М., 'Недра', 1965).

3

будущих очистных выработках. Новизна разработанной, апробированной и рекомендованной для промышленного внедрения методики, отличающая ее от ранее применявшихся вариантов, заключается в использовании но упрощенного, а полного варианта формулы Байеса, в непосредственной оаенко показателей распределения признаков по результатам массовых натурных наблюдений, учете механического и физико-химического взаимодействия элементов углевмещающих породных комплексов, в ряде случаев значительно влияющего на их поведение в подземных выработках. В последнем случае осуществляется системный подход к прогнозной опенке углевмещающих породных комплексов. Кроме того, обоснована возможность и целесообразность использования при прогнозировании некоторых новых геологических <|>акторов и, в частности, показателей сернистости углей, влияющих на интенсивность пучения подстилающих их пород, а также положения участков угледобычи в складчатой структуре угленосных массивов.

Применение вероятностно-статистического метода в предлагаемом варианте позволяет получать более надожныо прогностические выводы, чем при использовании целого ряда рацее существовавших методов. Как показала проверка результатов прегночзировании на контрольных выборках, наиболее лито ре-су ющио геологов и горников-нроектировщиков ноиодхватывао-мыо ложные, неустойчивые непосредственные,труднообрушающи-ося основные кровли и сильно нучащно непосредственные почвы правильно paci «знаются по формуле Байеса в 75-100% случаев.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА

Влияние геологических <|>акторов на поведение угле вмещающих Гюрод в очистных забоях

Предлагаемый метод основан на использовании закономерностей, отражающих зависимость устойчивости боковых пород от различных геологических факторов. Результаты натурных наблюдений на 4К5 шахтах Донбасса позволяют вкратце сформулировать эти закономерности следующим образом.

1. Обруишемость ложных кровель проявляет об щук» тенденцию к усилению при переходе от морских к континентальным

4

фациям. Наименьшей обрушаемостью характеризуются ложные, непосредственные и основные кровли, представленные опесча-ненными и песчаными русловыми и морскими глинистыми литофаниями.

2.    Отчетливое повышение устойчивости и снижение интенсивности пучения почвы при переходе от аргиллитов к алевролитам и далее - к известнякам и песчаникам.

3.    Общее повышение устойчивости пород и снижение интенсивности их пучения по мере увеличения степени постднагено-тического преобразования.

4.    Усиление интенсивности пучения почвы при новы .нении содержания серы в углях.

6.    Закономерное снижение обрушаемостн кровель и интенсивности пучения почвы по мере повышения механический прочности пород.

8. Общая тенденция к снижению обрушаемостн кровель и пучения почвы при повышении мощности слоев углевмещающих пород.

7.    Уменьшение обрушаемостн основной кровли при возрастании отношения мощности непосредственной кровли к выемочной мощности угольных пластов.

8.    Снижение устойчивости непосредственной кровли при увеличении выемочной мощности угольных пластов.

0, Общая тенденция к усилении» обрушаемостн ложных кровель и снижению интенсивности пучения по море увеличения углов падения.

10. Отчетливое снижение устойчивости по мере увеличения частоты трещиноватости.

И. Усиление обрушаемостн кровель и интенсивности пучения почвы с глубиной (ниже границы зоны выветривании).

12. Усиление обрушаемостн пород и интенсивности пучения с увеличением водопритоков.

Сила связи между наиболее существенными геологическими факторами и инженерно-геологическими особен тютями элементов углевмоишющих пород (ложных, непосредственных, оо-новных крсвель и непосредственных почв) характорнзуе тс я коэффициентами взаимной сопряженности, приведенными в табл. 1. Коэффициенты вычислены но методу, предложенному А.А. Чупровым и подробно описанному в работе Дж.Эднн

5

Продолжение табл Л

Как видно из таблицы, практически во всех случаях коэффициенты взаимной сопряженности имеют низкие значения. Это значит, что ни один из исследованных факторов сам по себе или совместно с небольшим числом других элементов геологического строения но предопределяет поведения пород в подземных выработках, а , следовательно, в отрыве от большинства других не может использоваться для прогнозирования устойчивости.

Сущность многофакторного вероятностно-статистического распознавании

Для одновременного учета большого числа геологически х факторов, позволяющего обеспечить достаточную надежность прогнозирования, используется теорема Байеса, являющаяся одной из фундаментальных теорем теории вероятности. Теорема Байеса формулируется следующим образом. Пусть А_х , A j » • • • Aj - попарно несовместимые события, хотя бы одно из которых обязательно наступает, a Bfc - некоторые события. Тогда вероятность реализации события А£ при условии, что наступили события Bt , выражается формулой (Заславский и др., 1972):

7

В практических приложениях события A j. обычно име*уют-ся гипотезами. Применительно к процедуре горно-геологического прогнозирования в качестве гипотез Aj может приниматься принадлежность вскрытых бурением пород к одной из заранее выделенных групп, характеризующихся разной степенью устойчивости в подземных выработках. Можно, например _t подсчитать вероятности реализации гипотезы A_t , согласно которой непосредственная кровля относится к разряду устойчивых, гипотезы    (кровля    сродней устойчивости) либо,

наконец, гипотезы А* (кровля неустойчивая).

В качестве опенок априорной вероятности гипотез А* ,

А_а и A3 используются показатели, характеризующие относительную встречаемость соответствующих типов кровель.

В отличие от собственно априорных такие выборочные частости названы квазиаприорнымн вероятностями. Значения ква-зиаприорных вероятностей гипотез, проверка которых составляет сущность прогнозного распознавания различных типов к реже ль и почв угольных пластов, приведены в приложении 1.

Значения Р (Bj I Aj) в данном случае представляют собой вероятности принадлежности параметров, характеризующих те или иные из существенных факторов, к определенным интервалам либо группам В^ при условии реализации гипотезы Aj . Интервалы и группы Bfc , позволяющие описывать и различать существенные сочетания определяющих факторов,

8

называются признаками. Так, например, через можно обозначить разработку углей на глубинах до 100 м, через Bj - 101-200 м, через В* - 201-300 м и т.п. Эмгшричео-кие оценки вероятностей признаков для различных инженерногеологических типов кровель и почв угольных пластов Донбасса приведены в приложениях 2-5. Они вычислены по результатам натурных наблюдений в действующих лавах, число

которых составляет немногим менее тысячи, и

Символом .П P(Bfl At) обозначается произведение

вероятностей всех учитываемых признаков при данном Ai, m    •

а символом    21    - сумма таких произведений, умножен-

ных на соответствующие квазиаприорные вероятности, для всех выдвигаемых гипотез A j •

МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

Общие положения

Предлагаемая методика разработана применительно к прогнозному распознаванию основных типов ложных, непосредственных и основных кровель, а также непосредственных почв угольных пластов Донбасса, различающихся по степони устойчивости в очистных выработках. Перечень этих типов, а также факторов, по которым наиболее целесообразно производ и т ь распознавание, приведены в табл. 2 (цифрами в скобках обозначены приложения, содержащие данные о распределении признаков).

Горно-геологические особенности выделяемых типов кровель и почв, влияющие на безопасность и производительность работы очистных забоев, характеризуются следующим образом.

Частично подхватываемой называется ложная кровля, местами поддающаяся удержанию посредством призабойной крепи. Неподхватывае-м а я ложная кровля повсеместно обрушаетсн одновременно с выемкой угля и не поддается удержанию даже в пределах ограниченных по площади участков.

0