Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности вопроса 9
1.1. Обобщение данных о площадях подработки поверхности в условиях АО «Ленинградсланец» 9
1.2. Обобщение геологических условий в зонах горных отводов Ленинградского месторождения горючих сланцев 16
1.3. Обобщение технологических параметров по горным отводам шахт ОАО "Ленинградсланец" 26
1.4. Обобщение условий подработки поверхности на ОАО «Ленинградсланец». Цели и задачи исследований 37
2. Обобщение известной информации по состоянию подработанных территорий 45
2.1. Геомеханический фактор в комплексной проблеме обеспечения экологической безопасности при отработке запасов горючих сланцев 51
2.2. Обоснование и выбор метода оценки геомеханического состояния налегающей толщи в условиях подземной отработки запасов горючих сланцев 54
2. 3. Экспериментально-аналитические аспекты оценки геомеханического состояния подрабатываемых толщ 62
3. Исследование напряжённо-деформированного состояния вмещающего массива 74
3.1. Построение характерных обобщенных геологических разрезов по площадям горных отводов, а также характерных колонок мехсвойств пород 74
3.2. Разработка горно-геомеханических моделей исследуемых объектов (и расчётных схем) дифференцированно «по параметрам систем разработки» (для выделенных ранее Кизв) 87
3.3. Исследование напряжённо-деформированного состояния подрабатываемого массива 98
4. Прогнозная оценка условий деформирования породного массива и экологического состояния поверхности 110
4.1. Прогнозная оценка условий деформирования налегающей толщи пород и земной поверхности 110
4.2. Условия сдвижения налегающей толщи пород и земной поверхности при различных системах разработки, применяемых на Ленинградском месторождении 117
4.3. Выбор рациональных параметров систем разработки по разработанным номограммам 123
Заключение 127
Список использованной литературы 130
Приложения 138
- Обобщение геологических условий в зонах горных отводов Ленинградского месторождения горючих сланцев
- Обоснование и выбор метода оценки геомеханического состояния налегающей толщи в условиях подземной отработки запасов горючих сланцев
- Разработка горно-геомеханических моделей исследуемых объектов (и расчётных схем) дифференцированно «по параметрам систем разработки» (для выделенных ранее Кизв)
- Условия сдвижения налегающей толщи пород и земной поверхности при различных системах разработки, применяемых на Ленинградском месторождении
Обобщение геологических условий в зонах горных отводов Ленинградского месторождения горючих сланцев
На Ленинградском месторождении разработка спаренными лавами с управлением кровлей частичной закладкой выработанного пространства велась около 40 лет. Отработанная площадь составила 49,8 км . Данной системой разработки была отработана северо-восточная, восточная и центральная часть шахтного поля шахты «Ленинградская» - 30 км - почти весь второй район. На шахте им. СМ. Кирова эта система разработки применялась до начала 1988 г. (отработано 17,8 км ), и в последствии была заменена на систему разработки камерами-лавами. Горно-геологические условия, в которых применялась данная система разработки, имеют довольно широкий диапазон. Верхняя граница зоны отработки спаренными лавами проходит по изолинии мощности карбонатных пород в кровле менее 25 метров (зона Везенбергского уступа), где глубина залегания промпласта составляет 40-=-50 м. Нижняя граница расположена в зоне, где мощность карбонатных пород в кровле составляет уже 60- 80 метров, при глубине залегания промпласта до 120 м. Восточная граница зоны отработки находится за р. Плюсса на поле шахты им. СМ. Кирова. Там глубина залегания промпласта составляет 50ч-80 м. Площади подработки земной поверхности данной технологией достаточно велики и составляют примерно 19 % от площади всего горного отвода и 36 % от отработанной площади.
Наиболее широкое применение на Ленинградском месторождении горючих сланцев получила система разработки камерами-лавами, которая была впервые внедрена на шахте № 3, а в 1971 г. и на крупнейшей шахте месторождения - «Ленинградская». Отработанная площадь составила примерно 86 км . Эта система применялась повсеместно в совершенно различных горно-геологических условиях. Данной технологией на шахте «Ленинградская» отработана практически вся западная часть месторождения с севера (зона Везенбергского уступа) до южной границы шахтного поля -58,7 км2 и пока в перспективе её планируется использовать и в дальнейшем. В последние годы перед закрытием и шахта им. СМ. Кирова полностью перешла на систему разработки камерами-лавами (отработано 2,5 км ). На шахте № 3 применялась практически только система разработки камерами-лавами. Отработанная площадь составила 26,5 км .
Необходимо отметить, что в северной части месторождения, за зоной везенбергского уступа, расположены запасы, разработка которых экономически и технологически нецелесообразна. Это обусловлено сложными горно-геологическими условиями залегания промпласта. Осложнёнными по геологической нарушенности пород кровли и пласта считаются условия отработки сланцевого пласта при мощности карбонатных пород менее 25 м. По степени нарушенности пород кровли там выделяются три зоны.
Площадь выемочных участков при мощности карбонатных пород 15 м и менее составила 21400 м , из них 9545 м - при МКП 15-ИО м и 11850 м при МКП 10 м и менее. Балансовые запасы сланца на этом участке составили 38859 тыс. т. Данные запасы могут быть отработаны в случае внедрения новых прогрессивных технологий выемки.
На полях действующей шахты «Ленинградская» и перспективной шахты «Кировская» площади с нормальными горно-геологическими условиями эксплуатации содержат, соответственно, 59 % и 46 %, с осложнёнными 5,1% и 6,8% и со сложными 5,8% и 12,5% общих балансовых запасов по шахтному полю. Площади, не подлежащие отработке камерами лавами, содержат, соответственно, 6 % и 20,4 % балансовых запасов шахтных полей.
На поле шахты «Ленинградская» с учётом требований к вынимаемой мощности (не менее 1,65 м) выделяется площадь с аномальными горногеологическими условиями эксплуатации. Эта зона расположена в южной и юго-западной части поля шахты «Ленинградская». Балансовые запасы здесь составляют 24,1 % от общих.
Таким образом, горно-геологические условия детально изученной части Ленинградского месторождения горючих сланцев характеризуются значительной сложностью и необходимостью проведения дальнейших технологических исследований для максимального вовлечения балансовых запасов в эксплуатацию. Следует отметить, что для отработки участков с осложнёнными горно-геологическими условиями на месторождении применялась система разработки с управлением кровлей столбчатыми целиками. Эта система применялась в северо-западной части поля шахты Ленинградская, был отработан один блок. В виду экономической нецелесообразности и больших потерь полезного ископаемого в целиках эта система разработки не получила распространения на Ленинградском месторождении горючих сланцев.
Перспективной можно считать систему разработки сдвоенными лавами с управлением кровлей полным обрушением. Пока данной системой разработки отработаны единичные блоки. Она применялась в различных горно-геологических условиях - на северо-западе (в осложнённых условиях), там велась селективная выемка промпласта, в центральной части, и в южной части. Площадь отработки данной системой разработки составляет примерно 1 % от общей отработанной площади. В таблице 1.1. для основных горнодобывающих предприятий Ленинградского месторождения представлены количественные оценки площадей поверхности подработанных тремя основными (используемыми на месторождении) системами разработки.
На данном этапе отработана примерно половина промышленных запасов действующей шахты «Ленинградская» и не отработанным остаётся полностью разведанное поле перспективной шахты «Кировская». Из этого можно сделать вывод, что при благоприятных экономических условиях и востребованности горючего сланца можно вести добычу еще десятки лет.
В ближайшие годы фронт добычных работ будет перемещаться в западном, юго-западном и южном направлениях, т.е. в сторону увеличения глубины разработки до 130 метров в пределах поля шахты «Ленинградская».
Обоснование и выбор метода оценки геомеханического состояния налегающей толщи в условиях подземной отработки запасов горючих сланцев
Подземная выемка пластов сланца приводит к нарушению состояния равновесия горных пород и их сдвижению, проявляющемся в образовании на земной поверхности мульды сдвижения. Отдельные точки мульды сдвижения сдвигаются неодинаково, в результате чего возникают вертикальные (наклоны, кривизна) и горизонтальные (растяжение, сжатие) деформации.
Сдвижения и деформации горных пород и земной поверхности при определённых условиях могут вызывать повреждения в объектах, расположенных в зоне влияния подземных разработок (в мульде сдвижения), а также увеличение водопроницаемости пород над выработанным пространством.
Размеры зоны влияния подземных разработок на сооружения и другие объекты, величины, характер и продолжительность процесса сдвижения горных пород и земной поверхности зависят от следующих факторов: а) мощности и глубины разрабатываемого пласта; б) размеров очистных выработок, расположения и размеров оставляемых в выработанном пространстве целиков; в) системы разработки и способа управления горным давлением; г) скорости и направления подвигания забоя; д) наличия вблизи очистной выработки ранее отработанных площадей; е) физико-механических свойств пород; ж) структурных особенностей массива горных пород (мощность слоев, геологические нарушения и др.). Условия подработки земной поверхности при выемке промпласта горючего сланца регламентируются установленными правилами [82]. Ниже приведены основные их аспекты. 1. Здания и сооружения, сельскохозяйственные угодья при необходимости их дальнейшей эксплуатации, а также лесонасаждения и водные объекты, имеющие народнохозяйственное значение, при необходимости их сохранения подлежат охране от вредного влияния подземных разработок. 2. При выемке сланца под водными объектами горные выработки подлежат охране от прорывов воды и увеличения её притока в количестве, представляющем опасность для людей или приводящем к нарушению нормальной эксплуатации шахты. 3. Вопрос о выемке сланца под охраняемыми объектами и выбор мер охраны решается на основе прогноза ожидаемых сдвижений и деформаций, изменений и нарушений, вызванных подработкой, и сравнении их с допустимыми, при этом учитываются геологические и горнотехнические условия, рельеф подрабатываемого участка, уровни грунтовых вод, гидрогеологические и гидрологические условия. 4. С целью уменьшения ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности, снижения или ликвидации отрицательных последствий подработки, могут применяться горные и конструктивные меры защиты, рекультивация на поверхности после подработки или те и другие меры совместно. 5. Руководство горным предприятием не менее чем за 6 месяцев до начала очистных работ в районе влияния на охраняемый объект обязано известить об этом организацию, ответственную за сохранность и эксплуатацию объекта.
В настоящее время процессы сдвижения земной поверхности на Ленинградском месторождении, с точки зрения разработки правил охраны зданий и сооружений достаточно изучены. Однако ряд вопросов требует дальнейшего изучения. Особенно это касается разработки методики долгосрочного предпрогноза состояния поверхности и как следствие экологической безопасности подработанных территорий.
Подземные горные работы, как уже упоминалось, активно влияют на гидрологию региона. Вследствие интенсивного дренирования непосредственно перекрывающих и подстилающих промпласт водоносных пород существенно нарушается естественный гидрогеологический режим подземных вод. Все водоносные горизонты оказываются в гидравлической взаимосвязи между собой, что доказывает снижение уровня вод практически во всех водоносных горизонтах. В естественных условиях (до начала разработки месторождения) общий сток подземных вод был направлен к Финскому заливу. Режим подземных вод определялся, в основном, гидрометеорологическими факторами. По мере промышленного освоения Сланцевского района режим подземных вод стал формироваться под преобладающим влиянием техногенных факторов (проходка горных выработок, шахтный водоотлив, питьевые водозаборы). Общее северозападное направление движения подземных вод на площади Ленинградского сланцевого месторождения сменилось движением к центру депрессионных воронок, диаметр которых достигает 25-f30 км. В пределах контуров горных работ уровни подземных вод снизились от 20 до 80 м в зависимости от расположения водоносных горизонтов относительно горных выработок. В связи с неравномерными темпами снижения уровней разных водоносных горизонтов произошло существенное разобщение их пьезометрических поверхностей. Это привело к усилению движения воды по вертикальным трещинам и карстовым нарушениям и перетеканию воды на отдельных участках из одного водоносного горизонта в другой.
Характер и масштабы воздействия горных работ на геологическую среду зависят от применяемой системы разработки и способа управления кровлей. На шахтах Ленинградского месторождения основной объём сланца добывается при применении камерной системы разработки. В результате ведения горных работ камерами образуется выработанное пространство, где кровля поддерживается на целиках. Ежегодный прирост таким образом подработанных площадей в настоящее время составляет 1,2 км .
Разработка горно-геомеханических моделей исследуемых объектов (и расчётных схем) дифференцированно «по параметрам систем разработки» (для выделенных ранее Кизв)
Вопрос о выемке сланца под охраняемыми объектами и выбор мер охраны решается на основе прогноза ожидаемых сдвижений и деформаций, изменений и нарушений, вызванных подработкой, и сравнении их с допустимыми. При этом учитываются геологические и горнотехнические условия, рельеф подрабатываемого участка, уровни грунтовых вод, гидрогеологические и гидрологические условия.
Устойчивость техногенной земной поверхности отражает напряжённо-деформированное состояние подработанного массива при различных способах управления кровлей. Однако на предприятиях (что вполне оправдано с практической точки зрения) рассматриваются лишь "последствия" (оседания, наклоны поверхности, радиус кривизны и т.д.), вызванные изменением напряженно-деформированного состояния горного массива (его подработкой). Т.е. упускается "физика" данных явлений. При использовании результатов натурных съёмок совсем не обязательно знать параметры физических процессов, которые привели к "снимаемым in situ" результатам. Однако для построения методики долгосрочного прогноза состояния земной поверхности, включающей возможность использования различных технологий выемки полезного ископаемого необходимо построение моделей и изучение на них процессов, которые в натурных условиях изучить трудно, или когда стоимость таких экспериментов весьма значительна.
Для реализации поставленной в работе цели необходимо рассмотреть не только натурные данные, имеющиеся на сегодняшний день на Ленинградском месторождении (и иных аналогичных месторождениях) но и изучить процессы сдвижения земной поверхности при всех возможных технологиях ведения горных работ, основное внимание, уделяя, конечно же, перспективным (прогрессивным) технологическим схемам. Достижение поставленной цели возможно путём решения задач о геомеханическом состоянии горного массива вмещающего отрабатываемый пласт горючего сланца. Результаты решения таких задач позволят оценить параметры напряжённо-деформированного состояния подрабатываемого массива, изучить закономерности изменения данных параметров в зависимости от различных факторов, выделить значимые (определяющие) параметры и на этой основе построить методику долгосрочного прогноза состояния подрабатываемых территорий. Полученные параметры напряжённо-деформированного состояния массива горных пород могут использоваться как исходные данные для оценки технологической и экологической безопасности подрабатываемых территорий.
Ниже приводятся основные параметры процессов сдвижения при применении различных систем разработки на АО "Ленинградсланец".
На Ленинградском месторождении горючих сланцев опыт использования камерных систем разработки свидетельствует, техногенная дневная поверхность над отработанными камерными блоками характеризуется квазиустойчивостью. При управлении кровлей обрушением или частичной закладкой после завершения процессов сдвижения эта поверхность рассматривается как устойчивая.
До недавнего времени на шахтах АО "Ленинградсланец" применялась столбовая система разработки с управлением кровлей частичной закладкой. Шаг сдвижения земной поверхности при данной технологии выемки составляет 10ч-14 м при Нк= 654-90 м (мощность покрывающих карбонатных пород). При глубине разработки 504-70 м отмечено развитие мульд сдвижения эллипсовидной формы (при отсутствии внутрилавных ленточных целиков) и оседание земной поверхности до 5004-600 мм. При наличии этих целиков, через каждые 704-90 м, изменяется характер мульд сдвижения и уменьшается величина оседания земной поверхности.
Наибольшее распространение на шахтах "Ленинградская" и №3 получила система разработки камерами-лавами. Максимальные оседания земной поверхности над отработанными блоками камер-лав при площади 13415 га (220x6004-700 м ), составляет 150 мм, а минимальные 604-90 мм. На данный момент эта система разработки является наиболее приемлемой с точки зрения экологической безопасности поверхности.
Также, на шахте "Ленинградская" велась отработка сдвоенными лавами с управлением кровлей полным обрушением при использовании посадочной гидравлической крепи "Спутник". В процессе отработки сдвоенных лав длиной 100 м (каждая) и при наличии междулавного целика шириной до 8 м на земной поверхности происходит формирование двух разобщенных эллипсовидных мульд сдвижения. Максимальные оседания достигают 1000 мм при вынимаемой мощности 1,654-1,8 м.
Необходимо отметить, что Ленинградское месторождение горючих сланцев эксплуатируется довольно длительное время и АО "Ленинградсланец" накоплен значительный практический опыт по расчёту параметров процессов сдвижения подработанных территорий. Однако все созданные методики базируются на данных натурных наблюдений, а, следовательно, не могут "автоматически" переносится на схожие объекты, если в на этих объектах хоть один из значимых параметров отличается. К таковым относятся, в первую очередь, применяемые системы разработки (и их параметры), а также глубина горных работ, коэффициент извлечения полезного ископаемого, геометрические и деформационные характеристики охранных сооружений (при их наличии), свойства вмещающих массивов и т.д.
Условия сдвижения налегающей толщи пород и земной поверхности при различных системах разработки, применяемых на Ленинградском месторождении
При небольших глубинах ведения горных работ характер деформирования налегающей толщи пород и земной поверхности существенно зависит от степени извлечения полезного ископаемого, определяемой применяемыми системами разработки и способов управления состоянием горного массива в выработанном пространстве шахт.
Моделирование напряжённо-деформированного состояния налегающей толщи, подработанной с использованием системы разработки с полным обрушением пород кровли, свидетельствует о следующем. После выемки пласта целики (панельные) находятся в квазиустойчивом состоянии, а центры пролётов на уровне кровли отработанного пласта испытывают растягивающие горизонтальные деформации. При этом величины данных растягивающих деформаций меньше чем над панельными целиками. Это обстоятельство свидетельствует о том, что над панельными целиками (на высоте 7ч-15 м над кровлей пласта) начнут формироваться вертикальные трещины, "секущие" рассматриваемую толщу. Формирование данных трещин нарушит сплошность налегающей толщи, и она начнёт перемещаться с нарастающей скоростью. После того как кровля пласта соединится с почвой, в центре пролётов выработанного пространства процесс оседания земной поверхности будет продолжаться с затухающей скоростью. В течение некоторого периода времени (около года) скорость оседания земной поверхности станет близкой к нулю. Такой же характер оседания земной поверхности наблюдался на практике при применении данной системы разработки - величины оседания земной поверхности достигают наибольших величин, при этом скорость оседания земной поверхности в первый период проявления процесса сдвижения за достаточно короткое время достигает максимума, а затем скорость деформации поверхности земли быстро убывает. При моделировании в кровле пласта "породы-моста" представленного доломитами и известняками мощностью до 25 м характер распределения параметров напряжённо-деформированного состояния существенно не изменяется, хотя количественные значения некоторых параметров отличаются от моделей представляющих "квазиоднородный" массив. Общим для всех моделей "неоднородной" среды является формирование на контактах слоев границ раздела зон "растяжение-сжатие" горизонтальных напряжений и деформаций, а соответственно в массиве формируется несколько ядер "сжатия-растяжения". Вертикальные напряжения и деформации в моделях представляющих "квазиоднородный" и "неоднородный" массивы практически не отличаются При моделировании "породы-моста" возрастают вертикальные напряжения (нагрузки) в целиках и незначительно снижаются вертикальные перемещения в центре пролётов лав. Необходимо отметить, что вертикальные трещины в налегающей толще начинают формироваться на высоте 7ч-15 м над кровлей вынимаемого пласта постепенно "развиваясь" вниз и вверх относительно сформировавшегося ядра растяжения. После начала "прорастания" трещин над целиком угля могут начаться процессы расслоения пород кровли в центре пролётов камер. Наличие напорных вод в налегающей толще способствует вертикальному расслоению подработанного массива и формированию трещин сориентированных параллельно линии угла обрушения. При увеличении растягивающих горизонтальных деформаций увеличиваются фильтрационные свойства налегающего массива, а при раскрытии данных трещин появляется гидрологическая связь между всеми водоносными горизонтами: кукерский - идавереский - невский - везенбергский. Моделирование напряжённо-деформированного состояния породного массива подработанного с использованием системы разработки камера-лава свидетельствует о том, что налегающая толща испытывает только упругие деформации и оседания земной поверхности при использовании данной системы разработки весьма незначительны. "Возмущение" вызванное отработкой пласта данной системой разработки распространяется на высоту 15-г25 м. Вся выше лежащая толща перемещается (оседает) как "единое целое". Максимальные вертикальные перемещения наблюдаются в центрах пролётов камер и составляют 5-ь7 см (относительно кровли над целиком). Перемещения на поверхности по данным моделирования не превышают 10 см. Как показывают натурные наблюдения на горных отводах шахт Ленинградского месторождения оседания земной поверхности при применении данной системы разработки незначительны и не превышают порядка второго десятка сантиметров. Т.е. поверхность при применении данной системы разработки является квазиустойчивой. Как свидетельствуют результаты моделирования, породы кровли пласта в центре камер являются устойчивыми. Однако при наличии напорных вод в пределах кукерского горизонта (первые Зт7м над кровлей пласта) обнажение пород кровли и изменение её напряжённо-деформированного состояния может привести к расслоению пород в центрах пролётов камер и гидрологической связи выработанного пространства и кукерского горизонта. Вышележащие водоносные горизонты остаются "изолированными" от выработанного пространства, так как напряжённо-деформированное состояние вмещающей их породной толщи остаётся неизменным. Моделирование "породы-моста" мощностью до 25 м в налегающей толще не вносит значимых изменений в напряжённо-деформированное состояние горных пород при выемке пласта с использованием системы разработки камера-лава.
При моделировании выемки пласта горючего сланца с частичной закладкой выработанного пространства "картина полей" параметров напряжённо-деформированного состояния для квазиоднородного и слоистого массивов качественно соответствуют таковым при моделировании системы разработки с полным обрушением пород кровли. Однако количественные параметры указанных величин могут значительно отличаться. Это зависит от того, какие геометрические и деформационные характеристики закладки "заложены в модели". Наиболее значительно на напряжённо-деформированное состояние налегающей толщи влияют деформационные характеристики закладки и величина "недозакладки" пустой породы до кровли пласта. При оставлении в выработанном пространстве отбитой горной массы без формирования полос высотой не менее 0,9 ( 1,6 м) мощности пласта и шириной не менее 6 мощностей пласта (около 10 м) напряжённо-деформированное состояние налегающей толщи полностью аналогично таковому при использовании систем разработки с полным обрушением пород кровли.
