Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности вопроса сдвижения и деформирования массива горных пород при подработке водных объектов; цель, задачи и методы исследования
1.1. Обзор и анализ причин прорыва воды в выработки при ведении горных работ вблизи водных объектов 9
1.2. Водопроницаемость подрабатываемого массива горных пород 18
1.3. Существующее представление о процессе сдвижения и характере деформирования пород подрабатываемой толщи . 26
1.4. Опыт разработки угольных пластов под водными объектами 36
1.5. Постановка задач исследования 42
Выводы по главе 44
2. Исследование влияния горных работ на характер формирования водопроводящих каналов вблизи водных объектов
2.1. Подработка водных объектов, расположенных на земной поверхности 46
2.2. Ведение горных работ под водными объектами, расположенными в толще пород 59
2.3. Изучение характера деформирования водозащитной толщи 64
Выводы по главе 67
3. Систематизация и классификация условий отработки угольных пластов под водными объектами
3.1. Условия безопасного ведения горных работ под водными объектами 68
3.2. Критерии допустимой подработки водных объектов 75
3.3. Классификация условий подработки водных объектов 77
Выводы по главе 80
4. Последствия ликвидации угольных шахт и разработка природоохранных мероприятий
4.1. Исследование состояния массива горных пород вблизи затопленных выработок 81
4.2. Предотвращение экологических последствий ликвидации шахт 90
Выводы по главе 101
5. Разработка рекомендаций по обеспечению безопасных условий ведения горных работ в районе затопленных шахт
5.1. Водозащитные меры при развитии горных работ 102
5.2. Водозащитные меры при погашении, изоляции и ликвидации шахт 105
5.3. Реализация результатов исследования 108
Выводы по главе 110
Заключение 111
Литература 112
Приложения 120
- Существующее представление о процессе сдвижения и характере деформирования пород подрабатываемой толщи
- Ведение горных работ под водными объектами, расположенными в толще пород
- Классификация условий подработки водных объектов
- Предотвращение экологических последствий ликвидации шахт
Существующее представление о процессе сдвижения и характере деформирования пород подрабатываемой толщи
Неизвестные величины а, (3 и у можно определить из граничных условий или путем моделирования на ЭВМ методом статических испытаний (метод Монте-Карло).
Краткая характеристика месторождений по притокам воды Гидрогеологическая характеристика основных угольных месторождений достаточно подробно изучена и классифицирована по группам. По геоморфологическим особенностям местности, литологическому составу пород и климатическим условиям угольные месторождения можно разделить на три типа и семь подтипов [17].
Первый тип - месторождения, залегающие на водораздельных участках. Максимальный приток воды в горные выработки наблюдается весной и осенью, а также при встрече зон обводненных тектонических нарушений. Второй тип - месторождения и их части, залегающие преимущественно под долинами рек и под депрессиями рельефа местности. Увеличение притока воды в выработки на этом типе месторождений связано с высокими фильтрационными свойствами пород и гидравлической связью поверхностных вод с подземными. Большую роль в обводнении горных выработок играют подземные воды аллювиальных отложений. Третий тип - месторождения и отдельные их участки, залегающие под сильнообводненными породами и долинами крупных рек. На шахтах, разрабатывающих эти месторождения, отмечается наибольший приток подземных вод. Коэффициент фильтрации угленосных отложений под долинами рек Томи, Кондомы, Ини достигает 15-20 м/сут. Таким образом, гидрогеологические условия на месторождениях первого типа простые, второго типа - сложные, третьего типа - очень сложные. Способность горных пород фильтровать воду называется водопроницаемостью. Она характеризуется коэффициентом фильтрации Кф. Категории пород по водопроницаемости и коэффициенту фильтрации приведены в таблице 1. По условиям залегания и движения подземные воды в основном трещинно-пластовые [17]. В зоне активного водообмена основными путями фильтрации подземных вод являются трещины выветривания. Эффективная трещиноватость выветривания наблюдается до глубины 80-120 м от поверхности. Характер поступления воды из обводненных пород в подготовительные и очистные выработки различен. В подготовительных выработках поступление воды обычно происходит в забоях. Характер поступления её в очистные выработки зависит от направления (угла) пересечения выработкой нарушения или зоны трещиноватости обводненных пород. Если выработка пересекает такие зоны под прямым углом, то возможны внезапные, а иногда аварийные прорывы воды в горные выработки в больших количествах. При этом обводненные участки обычно имеют незначительные размеры, соответствующие зоне повышенной трещиноватости. Если подготовительная выработка пересекает обводненную зону под острым углом, вода начинает поступать в неё постепенно, с того борта выработки, с которого вскрывается это нарушение или зона обводнения. В этом случае протяженность обводненного участка выработки оказывается значительной и зависит от угла встречи выработки с трещинами. Другая картина наблюдается в очистных выработках. Здесь характер поступления воды и степень обводненности выработки зависит от ряда факторов: направления выемки, угла встречи очистного забоя с зонами обводненных трещин, направления падения этих трещин, системы разработки и способа управления кровлей, скорости подвигания забоя и т.д. Значительно возрастает приток воды после первичной посадки кровли. Например, наиболее неблагоприятные направления отработки лав в Ленинском районе Кузбасса - юго-западное и северо-западное. При подвиганий лав в этих направлениях наиболее обводненные системы трещин будут-это падение на забой. При сдвижении пород кровли эти трещины в водоносных песчаниках раскрываются, и по ним вода поступает в призабойное пространство лавы. При движении очистных забоев в северо-восточном и юго-восточном направлениях условия разработки угольных пластов будут наиболее благоприятными, так как обводненные системы трещин попадают в сторону выработанного пространства, туда и будет поступать вода, не осложняя технологии ведения горных работ. Таким образом, учитывая направления основных систем трещин углевмещающих пород кровли, может оказаться целесообразным заменить систему разработки длинными столбами по простиранию на систему разработки длинными столбами по восстанию (угол падения пласта 5-7) [18,19-21]. В Ленинском районе Кузбасса сформировалось эффективные гидрогеологические продольные зоны трещинных нарушений, направленные параллельно основным тектоническим структурам района. Здесь же отчетливо проявляются и поперечные зоны трещиноватости, которые возникли позднее продольных.
В местах пересечения продольных и поперечных трещинных зон отмечается наибольшая трещиноватость углей и вмещающих пород. В условиях сильной трещиноватости возникают крупные потоки подземных вод, особенно в тех случаях, когда они питаются поверхностными водами [22, 23]. В таких местах река Иня заметно теряет расход воды. Это отмечено на участке меандры реки Ини в центре поля шахты "Октябрьская" АО "Л енинскугол ь".
Слаботрещиноватые породы содержат незначительное количество подземных вод. Ведущая роль в формировании подземного стока принадлежит песчаникам средней и сильной трещиноватости, в трещинах которых концентрируются основные запасы подземных вод [24]. Такие трещины, как правило, имеют большую протяженность. По ним неоднократно отмечались прорывы воды из водоносных горизонтов в подземные горные выработки. Примером их в Ленинском районе Кузбасса является урская система трещин. Система этих трещин используется для промышленных и питьевых целей. Дренирование водоносных горизонтов горными выработками, особенно разрезами, вызывает снижение урожайности сельскохозяйственных культур. По этой причине большие плодородные площади могут быть выведены из землепользования.
Ведение горных работ под водными объектами, расположенными в толще пород
Источниками прорывов воды в горные выработки шахт могут являться поверхностные и подземные водные объекты. Наибольшую опасность для шахт, представляют поверхностные естественные и искусственные водоемы, чаще всего в период весенних паводков, ливневых дождей и других стихийных природных явлениях. В общей сложности по данным ГУРШа и института ЦНИЭИуголь под водными объектами угледобывающих регионов сосредоточено значительное количество запасов угля. Так, только в Кузнецком бассейне оно составляет 278 млн.т.
Поверхностные воды, участвующие в формировании прорывов, включают в себя: реки, озера, водохранилища шахт, хвостохранилища, нагорные канавы, временные (сухие) водотоки, русла бывших рек, ручьев, поймы, провалы, затопляемые водой только в период весенних паводков, ливневых дождей.
Каналом прорыва содержащейся в них воды являются система трещин подработанного массива горных пород [24, 64, 65, 66], а также разведочные и технические скважины. Основными факторами, влияющими на вероятность проникновения воды, являются: относительная глубина подработки, состав, свойства, чередуемость и угол падения пород, степень их тектонической нарушенности, количество разрабатываемых пластов, взаимное расположение горных выработок и водного объекта [46, 67]. Проникновение воды в горные выработки происходит по системе трещин подработанного массива горных пород, образование которых можно представить следующим образом [11, 36, 68, 69, 70].
Сдвижение горных пород начинается с прогиба слоев кровли пласта или залежи в сторону выработанного пространства, при этом слои пород отделяются от вышележащей толщи и подвергаются деформациям изгиба подобно плитам, защемленным по концам. Слой пород, прилегающий к земной поверхности, изгибается подобно плите, лежащей на упругом основании. По мере увеличения площади выработанного пространства прогиб пород растет, в сдвижение вовлекается все большее число слоев, происходит сдвиг слоев по плоскостям напластования, в толще появляются секущие трещины и трещины расслоения. Слои непосредственной кровли при выемке полезного ископаемого без закладки выработанного пространства разбиваются на отдельные блоки и обрушаются, увеличиваясь в объеме и создавая подпор вышележащим слоям. Одновременно происходят поднятие и смещение в сторону выработанного пространства пород почвы, что вызвано как снятием нагрузки с пород почвы и их упругим восстановлением, так и выдавливанием пород из зоны повышенного (опорного) давления в зону пониженного давления (зону разгрузки).
Под влиянием горных работ в породном массиве образуется несколько зон, отличающихся по характеру и степени деформирования пород. Количество этих зон зависит от горно-геологических и горнотехнических условий разработки месторождения, сложности решаемых задач, степени изученности деформационных процессов и других факторов. Чем сложнее задачи и выше степень изученности деформационных процессов, тем детальнее составляются схемы сдвижения и на большее число зон разбивается деформированный массив. Современное состояние изученности вопроса позволяет выделить в деформирующемся массиве три области и 16 зон (в условиях крутых пластов 17 зон), отличающихся особенностями, свойственными только для этих зон (рис. 2.1.). [11].
Область разгрузки характеризуется пониженными по сравнению с нетронутым массивом нормальными напряжениями, действующими перпендикулярно напластованию. Она располагается над и под выработанным пространством (на рисунке область разгрузки заштрихована горизонтальными линиями) и имеет в сечении форму двух попуэллипсов, общая ось которых равна ширине очистной выработки D. Величины полуосей, характеризующих полуэллипсы в подработанной и надработанной частях массива, определяются размерами очистной выработки, углом падения и вынимаемой мощностью пласта, глубиной разработки и способом управления горным давлением, литологическим строением и механическими свойствами горных пород. В условиях разработки тонких и средней мощности пологих пластов величина полуоси в подработанной толще колеблется обычно в пределах 0,7D - 1,2D, но редко превышает 250 м, а в надработанной толще составляет примерно 30-40% величины полуоси в подработанной толще. С увеличением угла падения пород величина полуоси в подработанной толще уменьшается, а в надработанной увеличивается. При угле падения 90 полуэллипсы в подработанной и надработанной толщах становятся одинаковыми. Горные породы в зоне разгрузки расширяются и смещаются в стороны выработанного пространства. По мере удаления от этого пространства степень расширения пород уменьшается. Расширение пород происходит как за счет упругого восстановления, так и за счет расслоения пород с образованием полостей зависания. При подработке расслоение и зависание пород играют важную роль в общем процессе разуплотнения массива, и поэтому весь процесс имеет явно выраженный дискретный характер.
Наибольшая неравномерность деформаций наблюдается на контактах слоев разной прочности, особенно если слой, имеющий большую жесткость, залегает над легко прогибающимся или обрушающимся сдоем. При надработке полости расслоения образуются редко и преимущественно при больших углах падения пластов.
Область повышенного горного давления (ПГД) или, как часто ее называют, область опорного давления граничит с областью разгрузки и располагается над и под нетронутым массивом полезного ископаемого или над и под оставленным в нем целиком.
В этой области нормальные к плоскости напластования напряжения больше, чем в нетронутом массиве. Параметры области опорного давления зависят от глубины горных работ, физико-механических свойств пород, мощности и угла падения пласта, размеров и конфигурации выработанного пространства и других факторов. Ширина области опорного давления в плоскости пласта, по данным наблюдений, колеблется обычно в пределах ОД— 0, ЗН (где Н - глубина горных работ).
Классификация условий подработки водных объектов
Подземные воды является одним из важнейших георесурсов, который служит источником водоснабжения городов промышленных предприятий, сельских населенных пунктов, играет большую роль при сельскохозяйственном освоении территорий. Одновременно вода является источником, затрудняющим разработку полезных ископаемых в случаях прорывов и затопления горных выработок [9, 61, 74].
К подземным водам относятся воды, приуроченные к водоносным слоям коренных и покровных отложений, трещиноватым и раздробленным породам зон тектонических нарушений, карстовым полостям, горельникам на выходах угольных пластов. В это же число входят шахтные воды, приуроченные к погашенным подготовительным выработкам, выработанному пространству лав, отработанному пространству смежных пластов и соседних шахт. Прорывы воды из пористых пород и карстовых образований на угольных шахтах относительно редкое явление, тем не менее, они за последние 25-30 лет имели место во всех крупных бассейнах. Наибольшее число таких прорывов происходили на шахтах Подмосковного, Днепропетровского, Кизеловского, Кузнецкого бассейнов.
Часто происходят внезапные прорывы плывунов при проходке шахтных стволов, проведении околоствольных выработок, выработок главных направлений и первоочередных выемочных участков, когда оказываются недостаточно снижены напоры (уровни) в водонасыщенных песках.
Количество вынесенного при этом в выработки материала может достигать нескольких тысяч кубических метров, что обуславливает их частичное заиливание или полное "запечатывание" (особенно наклонных выработок) на большую протяженность (до сотни метров), захоронение механизмов и оборудования. Особенно остро вопрос ведения горных работ под водными объектами, расположенными в толще пород, встает в связи с массовым закрытием угольных шахт. Это связано с тем, что погашенные горные выработки являются потенциальным местом скопления воды и представляют определенную опасность для горных работ на шахте. К этому следует добавить, что почти каждая шахта имеет в пределах шахтного поля или поблизости от него водоемы, реки, ручьи которые в весенний период подпитывают породы и выработанное пространство водой. Аварийные ситуации в подобных случаях происходят по причине пренебрежения остаточными, местными, ограниченными объемами воды, после спуска основного объема воды из выработанного пространства; разрушения целиков угля под воздействием геомеханических процессов; отсутствия в маркшейдерской документации полной и достоверной информации о прочих выработках выше отработанных подэтажей (горизонтов). Каналом прорыва подземных вод в горные выработки шахт является система образующихся в процессе подработки трещин, описанная выше в п.2.1.
Для предупреждения прорывов воды необходимо применение системы инженерных мер, построенных на стадиях проектирования, эксплуатации и ликвидации горных предприятий. Одним из способов ограничения притоков воды в очистные выработки является повышение вязкости воды водоносного горизонта, и создания противофильтрационных завес. С помощью этих завес можно исключить возможность бокового притока воды к водоносному горизонту, а, следовательно, и в очистную выработку. Для этого в зависимости от расположения очистного забоя и направления притока подземных вод на предполагаемый участок наибольших деформаций слоев пород, подстилающих водный объект, до начала их сдвижения бурят скважины. В них нагнетают два раствора: полностью растворимый в воде, не токсичный, высокомолекулярный полимер и агент-образователь поперечных связей. Нагнетание их производят одновременно или с некоторым разрывом во времени. Концентрацию растворов подбирают такой, чтобы к выбранному участку они фильтровались с низкой вязкостью, а на месте образовывали водонепроницаемый гелеобразный продукт. Этот продукт закупоривает нормально секущие трещины и трещины расслоения, образующиеся под влиянием горных работ (рис. 2.3). За рубежом для уменьшения циркуляции воды по трещинам также используют закупоривающие агенты, нагнетаемые в виде водных растворов низкой концентрации (0,05—0,1 %) с добавкой антиватора (ионов металла), превращающего раствор в гелеобразную жидкость [75].
Способами защиты горных выработок от проникновения в них воды [76] могут служить различные операции, которые можно выделить в 3 группы: 1. Вокруг объекта или его части создается заградительный контур, представляющий собой систему дренажных устройств, имеющих непосредственную гидравлическую связь с водоносным горизонтом, участвующем в обводнении. Притекающие к объекту подземные воды улавливаются дренажной системой и отводятся за ее пределы. Эта операция носит название дренажа. 2. Вокруг объекта или его части в зоне водоносного горизонта создается искусственная преграда, исключающая приток подземных вод. Такая преграда называется ограждением или противофипьтрационной завесой (ПФЗ). 3. По контуру объекта или в его центре создается система специальных устройств, вскрывающих водоносный горизонт. По ним в водоносный горизонт, участвующий в обводнении, нагнетается сжатый воздух, который оттесняет воду из полости ведения строительных работ. Подобная мера называется оттеснением. Эти три группы подразделяются на мелкие подгруппы, детализирующие способы защиты выработок от прорывов подземных вод (см. Приложение 4). Каждый из способов не является универсальным и обладает своими недостатками, достоинствами и областью применения. Безопасность ведения горных работ должна обеспечиваться соблюдением ряда требований и рекомендаций [12] с учетом особенностей каждой из сложившихся ситуаций. Так, для обводненных месторождений в одном случае региональной мерой может быть осушение в период вскрытия шахтного поля, в другом восходящий порядок подготовки и отработки запасов угля.
Предотвращение экологических последствий ликвидации шахт
Массовое закрытие особо убыточных и нерентабельных шахт меняет характер техногенной нагрузки на окружающую среду в угледобывающих регионах [84, 85, 86, 87, 88]. Анализ экологической обстановки показывает, что на многих ликвидируемых шахтах и разрезах продолжаются геомеханические процессы, связанные с подработкой горного массива. В связи с полным или частичным затоплением шахт характер геомеханических процессов существенно изменяется, продолжается оседание поверхности. Возможно образование провалов земной поверхности над непогашенными горными выработками, особенно при небольшой глубине горных работ [89, 90]. Затопление шахт сопровождается вытеснением газов из подработанного горного массива с неконтролируемым выделением на поверхность. Также происходит подтопление и заболачивание территорий (подработанных участков), загрязнение водозаборов и водоемов, в том числе водами с высокой кислотностью; загрязнение воды в колодцах. Наибольшие сложности возникают при разработке угольных пластов, расположенных ниже затопленных шахт.
Ликвидация угольных шахт производится, преимущественно, с использованием методов полного затопления, в результате чего происходит миграция водоносных горизонтов, изменяется ее характер и направление. Наиболее распространенной формой является миграция в вертикальном направлении. После прекращения работы водоотлива вода стремится восстановить свой природный уровень и поднимается вверх. Одновременно поток воды устремляется вниз, заполняя все выработки и пустоты на нижних горизонтах. При определенных условиях она перетекает в выработки нижележащих действующих шахт [91, 92, 93, 94]. Миграция водоносных горизонтов происходит преимущественно через трещины, образующиеся в породном массиве под влиянием горных работ. Механизм образования и развития этих трещин, исходя из установленных закономерностей и общепринятых представлений [65], описана во 2-й главе данной работ.
При ликвидации угольных шахт путем их затопления водоносные горизонты мигрируют не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении, т. е. растекаются по площади. Переток воды в действующие шахты происходит как через нарушенные (или недостаточных размеров) барьерные целики, так и через трещины, образующиеся в подработанном массиве горных пород.
Механизм зарождения, образования и развития этих трещин [40] показан на рис. 4.1. Период зарождения трещин характеризуется появлением небольших секущих трещин и трещин расслоения, не соединяющихся между собой (рис. 4.1,а). С увеличением изгиба слоя эти трещины растут и соединяются между собой, создавая водопроводящий канал с определенным гидродинамическим сопротивлением (рис. 4.1,6). Дальнейшее увеличение изгиба слоя ведет к развитию деформационных процессов, в результате которых слой разбивается на отдельные блоки, создавая сквозной водопроводящий канал с незначительным гидродинамическим сопротивлением (рис. 4.1,в). Вторая система трещин образуется в том случае, если слой пород в результате изгиба приобретает форму седла (рис. 4.2), т. е. если в одном направлении (например, по падению) слой получает положительную кривизну (выпуклость вверх), а в другом (по простиранию) -отрицательную кривизну (выпуклость вниз). В этом случае две взаимно перпендикулярные трещины пересекаются и образуют сквозной водопроводящий канал. Согласно работе [37] площадь сечения канала SKmp, образующегося в результате пересечения взаимно перпендикулярных трещин при полном их развитии, определяется из выражения где т - вынимаемая мощность пласта, м; h - мощность подрабатываемого слоя, изгибающего как одно целое (без расслоения), м; М - мощность междупластья, м; єкр - величина относительного продольного растяжения, при котором происходит разрыв сплошности пород, мм/м.
Однако, в практике горного дела полного развития взаимно пересекающихся трещин одновременно не происходит (за исключением специально спланированных случаев). Обычно, как следует из анализа графиков развития деформаций во времени [56], к моменту полного развития трещины в направлении, параллельном линии забоя, перпендикулярная ей трещина получает развитие только на 20-30%. И наоборот, когда трещина, имеющая направление, перпендикулярное к линии забоя, получает полное развитие, зияние первой трещины (параллельной линии забоя) уменьшится на 70-80%, т.е. остаточная ее величина составит те же 20-30%. С учетом изложенного, выражение (4.1) в первом приближении можно записать: где R - радиус кривизны изгибающегося слоя h, м; т - сопротивление сдвигу пород вдоль слоя, кгс/см"; D - длина изгибающегося слоя, м; Е -модуль упругости пород слоя, кгс/см . Для определения радиуса кривизны изгибающегося слоя существует несколько формул различного вида. Согласно «Правилам охраны...» [73] кривизна (величина обратная радиусу) определяется из выражения где Ктах - максимальное значение кривизны, 1/м; rjmax - величина максимального оседания, м; Ьп - длина полумульды, определяемая графически, м; F (Z)max - коэффициент, определяемый по таблицам [73].
Похожие диссертации на Установление закономерностей деформирования горных пород при подработке затопленных шахт
