Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Теоретические основы техногенной трансформации гидродинамических характеристик и водопроводящей структуры горного массива на участках разработок каменноугольных месторождений подземным способом 23
1.1 Формирование гидродинамических характеристик горного массива под влиянием осушения и водонасыщения, движения подземных вод 32
1.2 Формирование гидродинамических характеристик массива под влиянием сдвижения 35
1.3 Фильтрационная и водопроводящая структура углевмещающего массива в зоне сдвижения 59
1.4 Зоны водопроводящих трещин сдвижения 63
1.4.1 Модели высоты зоны водопроводящих трещин сдвижения 66
1.4.2 Форма ЗВТС 74
1.4.3 Проницаемость пород внутри ЗВТС
1.5 Влияние сдвижения на режим подземных и поверхностных вод 80
1.6 Определение проницаемости и измерение высоты ЗВТС 81
1.7 Трансформация горного массива под влиянием затопления шахт 84
1.8 Общие выводы 85
Глава 2 Потенциал техногенных макровоздействий горнотехнических геосистем каменноугольных регионов на гидрогеологическую обстановку 87
2.1 Природные и техногенные блоки ГТС 87
2.2 Трансформация природных условий угольных объектов 96
2.3 Общие выводы 100
Глава 3 Исследование закономерностей формирования пустотного пространства каменноугольных месторождений и его гидродинамических характеристик под влиянием сдвижения 101
3.1 Закономерности сдвижения и деформаций горных пород вокруг очистных выработок 102
3.1.1 Формирование трещинной расчленённости пород 102
3.1.2 Новые данные о закономерностях сдвижения земной поверхности над очистными выработками 120
3.1.3 Модель оседания пород над очистными выработками на участках разработки пологих и наклонных пластов средней мощности и мощных в условиях полного обрушения кровли 133
3.2 Некоторые закономерности сдвижения и деформаций
горных пород вокруг выработок небольшого сечения 139
3.3 Формирование трещинной проницаемости пород 141
3.3.1 Трещинная проницаемость и деформации массива 143
3.3.2 Оценка фильтрационных свойств массива по материалам водопроявлений в очистных выработках из затопленных выработанных пространств на смежных пластах 150
3.3.3 Оценка фильтрационных свойств пород по материалам водопроявлений из трещин расслоения 161
3.3.4 Оценка фильтрационных свойств по нормали к напластованию по материалам перетока воды между водоносными горизонтами
3.4 Анализ материалов определения проницаемости пород внутри ЗВТС 165
3.5 Фильтрационная структура и ёмкостные свойства горных пород в зоне сдвижения 184
3.6 Ёмкостные свойства породного массива внутри ЗВТС
3.7 Саморегуляция состояния, самоорганизация горных массивов в ходе сдвижения 190
3.8 Общие выводы 199
Глава 4 Исследование закономерностей формирования гидродинамических характеристик пустотного пространства под влиянием затопления подземных выработок 202
4.1 Вялотекущее формирование пустотного пространства 203
4.1.1 Формирование пустотного пространства процессами суффозии 206
4.1.2 Формирование пустотного пространства барьерного целика шахт «Соколовская» и «Несветаевская» 211
4.1.3 Формирование пустотного пространства на шахте «Западная» в условиях неглубокого затопления смежных шахт 220
4.2 Высоко динамичное формирование пустотного пространства 230
4.2.1 Краткие сведения о месте поступления прорывов воды в шахту «Западная» 232
4.2.2 Обстоятельства поступления и характеристика прорывов воды в шахту в октябре-ноябре и феврале 2003г 236
4.2.3 Сопоставление типологических характеристик водопроявлений в стволах шахты «Западная» и сквозь барьерный целик в шахту «Соколовская»
2 4.3 Механизмы трещинообразования под влиянием затопления шахт 263
4.4 Саморегуляция НДС массива вокруг затопленных горных выработок 271
4.5 Эволюция фильтрационной структуры массива под влиянием затопления горных выработок 272
4.6 Общие выводы 273
Глава 5 Разработка концептуальной модели зон водопроводящих трещин сдвижения на участках очистной выемки пологих и наклонных каменноугольных пластов 276
5.1 Виды водопроводящих трещин сдвижения 277
5.2 Динамика формирования систем водопроводящих трещин 280
5.3 Форма ЗВТС 283
5.4 Модель размеров ЗВТС 287
5.5 Проницаемость пород внутри зон водопроводящих трещин сдвижения 297
5.6 Гидродинамические граничные условия на контурах и внутри ЗВТС 298
5.7 Факторы формирования ЗВТС и их характеристик 299
5.8 Общие выводы 306
Заключение 308
Список литературы
- Фильтрационная и водопроводящая структура углевмещающего массива в зоне сдвижения
- Трансформация природных условий угольных объектов
- Новые данные о закономерностях сдвижения земной поверхности над очистными выработками
- Формирование пустотного пространства на шахте «Западная» в условиях неглубокого затопления смежных шахт
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Безопасность и эффективность освоения угольных месторождений и состояние здесь окружающей среды находятся в тесной зависимости от обводнённости горных выработок. Особенно значительные и внезапные осложнения могут возникнуть вблизи водных объектов, включая системы затопленных выработок, о чём свидетельствуют, например, катастрофические последствия прорывов воды в шахту «Западная» (Восточный Донбасс) в 2003г.
Практика свидетельствует о невысоком качестве прогнозов проявлений водного фактора, слабой управляемости горно-геологическими и гидрогеологическими условиями разработки. Весьма типичны, в частности, серьёзные ошибки в определении величины и локализации ожидаемых притоков воды в горные выработки. Аналогичная обстановка сложилась вокруг прогнозных оценок гидрогеологических и геоэкологических последствий ликвидации шахт. Задача улучшения информационного гидрогеологического обеспечения освоения угольных залежей сохраняет свою актуальность.
Ключевой предпосылкой оценки условий освоения служит прогноз картины размещения и коллекторских свойств подземного пустотного пространства, характеризующихся значительным динамизмом. Главным фактором трансформации гидродинамических свойств горного массива признаётся процесс сдвижения. Значительное влияние оказывает, как впервые установлено автором, также затопление горных выработок.
Знание закономерностей преобразований породной среды даёт априорную информацию о текущем и будущем состояниях объекта геологических исследований при эксплуатации и по её завершению, повышает надёжность прогнозов, эффективность мероприятий по защите горного производства и окружающей среды, позволяет получать необходимые сведения с меньшими затратами. Выявление и учёт гидрогеологического значения таких наиболее существенных макромасштабных воздействий как сдвижение пород и затопление горных выработок, служат главной предпосылкой решения указанных задач, однако теоретически и методически разработаны недостаточно, либо совершенно не разработаны. При этом исключительное значение имеет развитие представлений о зонах водопроводящих трещин сдвижения (ЗВТС) - во многих случаях основных каналов поступления воды в шахты и выделения её оттуда.
Степень разработанности темы. Среди исследователей сдвижения в связи с его влиянием на гидродинамические свойства пород и формированием ЗВТС назовём С.Г.Авершина, А.С.Батугина, Е.В.Бошенятова, А.С.Ведяшкина, Б.Я.Гвирцмана, В.Н.Гусева, М.А.Иофиса, Д.А. Казаковско-го, Н.Н.Кацнельсона, А.Г.Кобилева, С.П.Колбенкова, Б.И.Леванькова,
П.М.Леонтовского, М.М.Лося, В.А.Мироненко, АС.Миронова, А.Н. Мура-шёва, Ю.Н.Нисковского, Ю.А.Норватова, А.Н.Рюмина, В.П.Самарина, А.Г.Скворцова, В.Д.Слесарева, Ф.П.Стрельского, И.В.Хохлова, Н.Ф.Шалагинова, АС.Ягунова, Ф.Вига, Г.Кратча, Лю Тиан-Чуана, Т.Старона, И.Рабштина, Я.Фармера, Z.Kesseru, J.E.Tubby и др.
Правомерно констатировать, что многие закономерности сдвижения, его влияние на гидродинамические свойства пород изучены достаточно детально. Вместе с тем, далеко не все аспекты этого процесса и его последствия раскрыты в должной мере. Другое научное направление -трансформация породных толщ вокруг затопленных угольных шахт находится на начальной стадии развития. Обнаружение и изучение этого процесса связано с исследованиями автора диссертации.
Как показали наши исследования, развивающиеся при сдвижении массива и затоплении шахт процессы, помимо крупного масштаба развития имеют ряд общих закономерностей течения и гидрогеомехани-ческих проявлений, что создаёт логическую основу для их совместного изучения.
Цель исследований состоит в выявлении закономерностей трансформации и формирования гидродинамических характеристик горного массива под влиянием сдвижения и вторичного водонасыщения для развития научных основ повышения промышленной и экологической безопасности и эффективности освоения угольных месторождений.
Одно из направлений работы заключается в выявлении и исследовании гидрогеологического значения сдвижения и развитии существующих представлений о его последствиях, в частности, в связи с формированием ЗВТС. Другое направление состоит в выявлении и изучении гидродинамических событий, возникающих в массиве в связи с вторичным водонасыщением пород при затоплении систем подземных выработок. Идейной основой работы служит учёт обнаруженных автором эффектов саморегуляции и самоорганизации массива как его атрибутивной реакции на указанные крупномасштабные воздействия.
Основные задачи исследований:
Сбор, анализ, обобщение данных и представлений о процессах и гидродинамических последствиях сдвижения и водонасыщения массивов горных пород;
Выявление закономерностей формирования трещинной расчленённости, проницаемости и фильтрационной структуры горного массива при сдвижении;
Выявление закономерностей формирования и разработка моделей ёмкостных свойств горного массива под влиянием сдвижения;
Развитие авторской концептуальной модели ЗВТС на участках очистной выемки угольных пластов системами с обрушением кровли;
Изучение и разработка моделей трансформации гидродинамической структуры горного массива при вторичном его водонасыщении;
Изучение трансформации гидродинамической структуры горного массива под влиянием активного водообмена в горных выработках.
Выводы диссертации базируются на обширном фактическом материале, собранном автором в Кузнецком, Донецком, Карагандинском, Челябинском, Львовско-Волынском бассейнах, на месторождениях Приморья, Забайкалья, Сахалина, Буланашском месторождении. Широко использованы разнообразные материалы научно-исследовательских, проектных, разведочных и угледобывающих организаций СССР и России.
Закономерности трансформации породной среды и её гидродинамических характеристик изучены с применением общенаучных и специальных методов анализа, обобщения и синтеза информации, включая решение обратных гидрогеологических и иных задач по материалам инструментальных наблюдений за сдвижением и деформациями земной поверхности и породного массива, данным о водопроявлениях в горных выработках на участках подработок водных объектов в недрах и на земной поверхности, вблизи затопленных шахт, режиме подземных вод в ходе эксплуатации и ликвидации угольных шахт.
Научная новизна выполненных исследований:
- впервые установлена упорядоченность фильтрационной структу
ры горного массива и отдельных слоев над выработанным пространством
угольных шахт, характеризующейся инвариантно физико-механическим
свойствам пород стабильностью рисунка и густоты сети, равнораскрытостью
торцевых трещин у кровли слоев глинистого состава, с приближением их
коэффициента фильтрации в направлении нормали к напластованию к кон
станте около 0,003 м/сутки по мере роста площади водопроводящего трещи-
нообразования на верхней поверхности слоя, что позволяет получать инфор
мацию о состоянии и гидродинамических характеристиках горного массива в
ходе эксплуатации угольных месторождений и на этой основе выполнять
эффективные прогнозы притока воды в обрушенное выработанное простран
ство, особенно, из подработанных водных объектов без проведения специ
альных натурных геологоразведочных работ;
- разработаны модели ёмкостных свойств кавернозно-
трещинного техногенного пустотного пространства, возникающего при
сдвижении массива с саморегуляцией на участках разработки угольных
залежей с полным обрушением кровли и выемочной мощностью более
1,3м, отличающиеся от известных учетом эффекта саморегуляции сдви
жения и деформаций горного массива, что позволяет на новой общей на-
учно-методической основе надежно определять объем подземного пустотного пространства для определения количества находящейся в нем воды, скорости и сроков его затопления, в частности, при ликвидации шахт с затоплением горных выработок;
- установлен неизвестный ранее эффект самопроизвольной
дизъюнктивной трансформации горных пород и фильтрационной струк
туры массива под влиянием генерированных затоплением горных вырабо
ток архимедовых сил, отличающиеся от известных эффектов новым меха
низмом и типологией, условиями проявления, что определяет необходи
мость и позволяет принять меры по предотвращению растекания в недрах
шахтных вод из глубоко затопленных выработок ликвидированных шахт;
- впервые установлено неизвестное ранее образование крупных
водопроводящих каналов архимедова разуплотнения внутри и на грани
цах породных тел, способных к глубокой аккумуляции и активному вы
свобождению механических напряжений сжатия, определены гидростати
ческие и временные условия возникновения водопроводящих структур
разуплотнения, что позволяет выполнить определение условий прорыво-
безопасной эксплуатации угольных залежей вблизи систем глубоко зато
пленных горных выработок и разработать проекты геоэкобезопасной ли
квидации угольных шахт;
установлен неизвестный ранее эффект самопроизвольного формирования в обрушенном выработанном пространстве системы суф-фозионных каналов различного порядка и резко дифференцированной проницаемости, что позволяет выполнить определение локализации пунктов и интенсивности выделений шахтных вод из затопленных горных выработок ликвидированных угольных шахт;
разработана концептуальная модель зон водопроводящих трещин сдвижения, учитывающая в отличие от существующих характеристики новых кинематических видов и зон водопроводящих трещин сдвижения, локализацию и размеры области распространения, условия и факторы формирования, проницаемость и ёмкостные свойства пород, гидравлический режим подземных вод в подработанном массиве, что позволяет более точно оценить гидродинамические свойства горных пород, выполнить надежный прогноз горно-геологических условий очистных работ в разнообразных обстановках, влияния эксплуатации на окружающую среду и геоэкологических условий ее прекращения;
- установлены типовые элементы геофильтрационных схем ок
рестностей очистных выработок и условия их реализации с учетом прояв
лений саморегуляции сдвижения и деформаций горного массива, отли
чающиеся более точным и детальным соответствием взаимодействию
горных выработок и скоплений воды по сравнению с существующими
представлениями, аттрактивностью ряда элементов схем, что позволяет выполнить надежный прогноз притока воды в выработанное пространство в разнообразных природно-технических обстановках без проведения специальных натурных исследований;
- получена новая информация о генерированных сдвижением и глубоким затоплением горных выработок характеристиках горного массива, отличающаяся по сравнению с существующими представлениями более точным и детальным соответствием состоянию угольных месторождений на стадии эксплуатации и по ее завершению, что позволяет расширить возможности применения метода гидрогеологических аналогий для прогноза притока воды в выработанное пространство и выделения ее оттуда, применить объективные критерии для подбора выработок-аналогов.
Теоретическая и практическая значимость. Получены фундаментальные результаты в области горной литогидрогеомеханики, горнопромышленной гидрогеологии, имеющие эвристическое и прогностическое значение. Обнаружены неизвестные ранее закономерности трансформации напряженно-деформированного состояния породной среды и формирования её гидродинамических характеристик в ходе и под влиянием сдвижения пород и затопления выработок шахт.
Развита теоретическая база и возможности для применения метода гидрогеологических (гидродинамических) и геомеханических аналогий при решении задач оценки ожидаемой гидрогеологической и горногеологической обстановки освоения угольных залежей, сдвижения и деформаций горных пород, управления состоянием и свойствами породного массива, гидрогеологическими и геомеханическими условиями и последствиями эксплуатации, а также постэксплуатационной стадии на основе априорной информации о гидролитогеомеханических самопреобразованиях горного массива и аттракторах ряда его состояний.
Результаты исследований использовались и используются при составлении руководящих и методических документов, решении практических задач разведки и оценки горно-геологических и гидрогеологических условий ведения горных работ, ликвидации угольных шахт, управления гидрогеологическими условиями и геоэкологической обстановкой их эксплуатации, при ликвидации и на постликвидационном этапе, мониторинга геоэкологических последствий ликвидации. Разработки включены в руководящие документы федерального уровня, включая «Инструкцию по изучению и прогнозированию гидрогеологических условий угольных месторождений при геологоразведочных работах» (ГКЗ СССР, Мингео СССР, Минуглепром СССР, 1985г.), ряд отраслевых методических документов.
Методология и методика исследований. Задачи исследований решены с применением общенаучных и специальных, включая ориги-
нальные, методов обработки, анализа и синтеза информации, в частности, решения обратных гидрогеологических и иных задач, логико-математического моделирования геомеханических и геофильтрационных процессов. Для решения геомеханических задачи активно использована гидрогеологическая информация.
Положения, выносимые на защиту:
-
Под влиянием саморегуляции сдвижения и деформаций породной среды происходит формирование упорядоченной фильтрационной структуры горного массива и отдельных слоев над выработанным пространством угольных шахт, характеризующейся инвариантно физико-механическим свойствам пород стабильностью рисунка и густоты сети, равнораскрытостью торцевых трещин у кровли слоев глинистого состава, с приближением их коэффициента фильтрации в направлении нормали к напластованию к константе около 0,003 м/сутки по мере роста площади водопроводящего трещинообразования на верхней поверхности слоя;
-
Модели ёмкостных свойств кавернозно-трещинного техногенного пустотного пространства при сдвижении массива с саморегуляцией на участках разработки угольных залежей с полным обрушением кровли и выемочной мощностью более 1,3м;
-
Концептуальная модель самопроизвольного преобразования пустотности, фильтрационной структуры и проницаемости вмещающих горных массивов под влиянием глубокого затопления выработок шахт в пульсирующем режиме путём скоротечного образования и смыкания трещинных пустот, а в условиях активного водообмена в техногенном пустотном пространстве - также формирования внутри него системы суффозионных каналов различного порядка и дифференцированной проницаемости;
-
Трансформация фильтрационной структуры горного массива под влиянием глубокого затопления горных выработок после преодоления гидростатических и временных порогов воздействия проявляется в генерации и концентрации крупных водопроводящих каналов архимедова разуплотнения внутри и на границах породных тел, способных к глубокой аккумуляции и активному высвобождению механических напряжений сжатия;
-
Концептуальная модель ЗВТС с характеристикой новых кинематических видов и зон водопроводящих трещин сдвижения, локализации и размеров области распространения, условий и факторов формирования, проницаемости и ёмкостных свойств пород, гидравлического режима подземных вод в подработанном массиве.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается взаимной тесной корреляцией результатов интерпретации разнородных натурных данных в различных угольных регионах, высокой надежностью
прогнозов горно-геологических и гидрогеологических условий подземной разработки угольных пластов на действующих шахтах, использованием результатов исследований при составлении руководящих документов федерального уровня и отраслевых документов, расследовании аварий в угольных шахтах, при разведке угольных месторождений СССР и России.
Результаты исследований изложены в серии отчётов о НИР, геологоразведочных работах, реализованы в проектах ликвидации десятков угольных шахт, мониторинга геоэкологических её последствий.
Основные положения работы апробированы на Всесоюзных и Всероссийских угольных совещаниях (1986-2014 гг.), конференциях, школах, симпозиумах, Международных геологических конгрессах в гг. Кемерово, Москва, Новокузнецк, Ростов-на-Дону, Санкт-Петербург, Пекин, Рио-де-Жанейро, Дармштадт, Донецк и др. (1985-2013 гг.).
Результаты исследований использованы при разведке угольных месторождений СНГ, расследовании аварий на шахтах «Александр-Запад» (1989 г.), «Глубокая» (1999 и 2000 гг.), «Западная» (октябрь-ноябрь 2003 г.) в Донбассе, выполнении прогнозов притоков воды в действующие шахты, составлении проектов ликвидации угольных шахт и карьеров, мониторинга гидрогеологических и экологических последствий ликвидации в различных регионах СССР и России. Они использованы в учебном процессе на ФПК руководящих работников МингеоСССР и Минуглепрома СССР Ростовского госуниверситета, при подготовке специалистов в ЮРГПУ (НПИ). Разработки отмечены медалью ВДНХ СССР.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 монографии, 2 руководящих документа федерального уровня, около 90 статей (в т.ч. 26 в изданиях по списку ВАК Минобрнауки России), получены 1 авторское свидетельство на изобретение и 1 патент на изобретение.
Структура диссертации отражает состав информационно-логических блоков, необходимых для постановки и решения рассматриваемых задач. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, изложенных на 311 страницах машинописного текста, включая 51 рисунок и 11 таблиц на 35 листах, списка использованной литературы из 180 наименований, 4 приложений. Главы 3-5 посвящены изложению результатов авторских исследований, приложение В - ряда практических рекомендаций; в Приложении Г приведены акты внедрения результатов исследований.
Фильтрационная и водопроводящая структура углевмещающего массива в зоне сдвижения
Как видно из этой модели, водо насыщенность снижает эффективное давление на скелет массива. В свою очередь, флюиды испытывают механическое воздействие со стороны литогенной основы. Вместе с тем, подземные воды могут иметь вполне автономное поле «напряжений» - гидростатическое давление, особенно характерное для безнапорных вод.
В зоне влияния горных работ напряжённое состояние значительно отклоняется от естественного. Здесь формируются зоны разгрузки, где давление ниже литостатического, и зоны опорного, или повышенного горного давления (ПГД), внутри которых давление может многократно (до 12 раз) превышать литостатическое за счёт в основном перераспределения напряжений внутри породной матрицы. Возникновение подобных зон нередко сопровождается образованием сильных напряжений среза, весьма значительных у границ выработанного пространства особенно при размещении целиков по разным пластам вблизи одной субвертикальной плоскости.
Напряжённое состояние обычно выражают с помощью тензора. Основное внимание придается при этом геостатическим нагрузкам как довольно просто поддающимся количественным оценкам. Учёт остальных составляющих вызывает труднопреодолимые затруднения. Низкая адекватность реальным условиям предопределяет в общем случае малое практическое значение подобных моделей.
Вариации напряжений вызывают динамизм показателей пустотного пространства, образование новых его элементов и трансформацию их значения. Возрастание нагрузки на массив сопровождается его уплотнением за счёт снижения раскрытости пустот с резким ослаблением ёмкостных и особенно фильтрационных свойств пород, что как тенденция и отмечается с глубиной. Снижению эффективного давления сопутствуют процессы противоположной направленности. Здесь отметим, что колебания НДС сопровождаются изменением объёма и(или) формы, либо структуры массива. С другой стороны, сохранение этих показателей, включая, например, такой легко определяемый, как мощность элемента массива, служит необходимым и практически всегда достаточным признаком стабильности механического состояния породной среды.
На участках освоения преобразования пустотного пространства происходят главным образом под влиянием таких факторов как появление и ликвидация буровых скважин, горных выработок, отведение воды, подземных газов из выработок и недр, затопление выработок и водонасыщение массива, которые дают импульс его трансформации до начала, в ходе и по завершению горно-строительных и горных работ. Влияние природных процессов обычно менее значительно и скоротечно по сравнению с антропогенными.
Техногенные воздействия активизируют, вызывают, усиливают или, напротив, ослабляют, подавляют, рассеивают влияние разнообразных формирующих и трансформирующих естественных и искусственных полей, не одновременно или параллельно, постоянно, периодически или эпизодически действующих. В свою очередь эти изменения порождают разнообразные вторичные воздействия на скелет массива, пустотное пространство и флюиды с указанными выше эффектами. Трансформация среды прекращается по достижению гравитационно, деформационно и т.п. устойчивого положения или состояния.
Сила и масштаб воздействий обычно столь велики, что приводят к резкому вплоть до качественной перестройки изменению гидродинамических показателей, фильтрационной и, в частности, водопроводящей по отношению к горным выработкам структуры массива, проявляющейся в формировании ЗВТС.
Особенностью рассматриваемых компонентов является многоплановость реакции на одно и то же, и, в то же время, нередко - итоговая однотипность отклика на разные воздействия.
Породная основа претерпевает пликативные и дизъюнктивные деформации структурно-вещественных элементов массива, с перемещением их в пространстве, изменением взаимного расположения, формы, размеров и объёма. Среди нарушений состояния выделяются своим влиянием на гидродинамические показатели деформации разрывного характера. Водная и газовая составляющие испытывают изменение распределения, давления, общего количества, содержания компонентов химического состава и других показателей.
Соприкасаясь или взаимно «проникая», твёрдые, жидкие и газообразные компоненты массива оказывают друг на друга и передают друг другу механические воздействия, находясь постоянно, хотя и с разной силой, в состоянии реально неустранимой взаимосвязи данного типа. Она выражается в неразрывности сплошности и сцепления всех фаз, образовании ими единой механической, фактически -литогидрогазодинамической системы.
Деформации массива изменяют условия пребывания подземных флюидов, активно реагирующих на изменение пустотного пространства, а именно: распределение флюидов, тип скопления, подвижность, характер пустотности, взаимосвязь пустот, градиент напора. Со своей стороны, испытывая давление и создавая противодавление на отдельные части пространства, флюиды оказывают влияние на породную матрицу, её НДС, размеры, сообщаемость, морфологию пустот, вызывая их генерацию или редукцию, либо способствуя им.
Этими моментами объясняется то обстоятельство, что значительная часть трансформаций массива происходит в результате гидродренажа, дегазации и противоположных им по направленности воздействий, весьма существенно влияющих на напряжённое состояние недр.
Изменение баланса флюидов - «уход» их из массива, накопление здесь и поступление сюда, включая вторичное флюидонасыщение, вызывает деформации породной основы. Гидродинамические характеристики, подвижность, режим подземных вод отражают интенсивность и распределение напряжений, являясь их показателем и индикатором. От состояния и поведения породной матрицы зависит режим насыщающих её пустоты флюидов; имеет место и обратная, прежде всего, механическая как самая «быстрая» взаимосвязь, выражающаяся в передаче давления и обмене механическими напряжениями между частями недр.
Эта известная идея получила выражение в виде концепции гидрогеодеформационного поля [11-13], объединяющего механические взаимодействия твёрдой, жидкой и газовой фаз массива. Данное положение является ключевым для такого научного направления как гидрогеомеханика [64]. По данным натурных исследований имеют место как очень медленные, так и быстрые, практически мгновенные изменения НДС [11-13]. Вместе с тем, выравнивание не может быть в принципе полным, в частности, ввиду неоднородности свойств геологического пространства, способности отдельных породных тел к накоплению и консервации упругой энергии, гистерезисным эффектам, на что указывают разнообразные динамические явления (выбросы пород, горные удары и проч.) в горных выработках и дилатансия массива.
В естественном залегании горный массив в большинстве случаев пребывает в состоянии вполне стабильного механического равновесия. Освоение месторождения сопровождается перераспределением и изменением значений механических напряжений, появлением растягивающих и сжимающих сил.
Степень преобразований и участия породной основы в трансформации среды зависит от её «податливости» - физико-механических (деформационных, реологических) свойств и чувствительности к конкретным воздействиям.
Превышение некоторого уровня воздействия вызывает неупругие деформации с формированием новых элементов пустотного пространства, его расширением или сокращением, соответствующей динамикой водопроницаемости и ёмкостных свойств пород. В этих процессах имеет большое значение фактор времени, который проявляется в основном в релаксации напряжений без существенных последствий для гидродинамических показателей. Другим проявлением служит резкое снижение воздействий, необходимых для заметного развития пликативных и дизъюнктивных деформаций пород в условиях продолжительного приложения механических сил с важными последствиями для указанных характеристик. Здесь можно провести параллель с поведением образцов пород в лабораторных исследованиях, в ходе которых установлно, что «длительная» прочность образцов пород на сжатие составляет обычно от 30 до 70% «мгновенной» [32].
Трансформация природных условий угольных объектов
В естественном залегании гидродинамические и другие свойства углевмещающих массивов характеризуется значительной пространственной неоднородностью и анизотропией. Особенно резко изменяется проницаемость по нормали к напластованию. Внутри слоя вдоль напластования она обычно намного выше, чем в других направлениях. По данным ряда исследований проницаемость пород в Донецком и Кузнецком бассейнах имеет тенденцию к снижению с глубиной в параболической зависимости [34,57,58,123] под влиянием геостатического давления. В связи с неоднородностью гидродинамических показателей возникают проблемы с их определением, в частности, при планировании ОФР, а затем по их результатам. К числу способов получения объективной информации нами с соавтором отнесена идея о проведении опробования горных массивов в возможно большем количестве точек [31].
Указанные характеристики месторождений служат предпосылкой содержательной однородности и совместного использования фактических геолого-гидрогеологических материалов по различным угольным объектам и, соответственно, правомерности экстраполяции, что, учитывая недостаток полноценной информации и фрагментарность данных, позволяет получить либо усовершенствовать модели для прогнозной оценки гидрогеологической условий разработки по материалам географически разобщённых территорий. Такой подход принят многими исследователями, однако, до настоящего времени недостаточно развит, в связи с чем возникает необходимость его разработки и уточнения области совместного использования информации и пределов экстраполяции.
Гидрогеологическая обстановка находится в существенной зависимости от разнообразной хозяйственной деятельности, связанной или, напротив, не связанной с разведкой и освоением угольных залежей.
Разведка и разработка оказывают сильное влияние на гидрогеологическое строение, другие характеристики, экологическое состояние территории. Под их влиянием происходит преобразование коллекторских свойств, фильтрационной структуры и водообильности массива, картины движения и состава подземных вод, гидродинамической и гидрогеохимической зональности, других элементов обстановки. Затопленные горные выработки шахт (и разрезов) содержат крупные ресурсы подземных вод весьма высокой загрязнённости.
Многообразие природных и техногенных факторов предопределяет разнообразие гидрогеологических обстановок месторождений. Приведенная выше характеристика составлена на основе значительного количества литературных источников и обобщения опыта разведки и эксплуатации угольных залежей.
Угольные залежи стран СНГ осваивались открытым, подземным и геотехнологическим способом несколькими сотнями предприятий. На рубеже тысячелетий только в России закрыто свыше 250 из них. Основным способом технической ликвидации по водному фактору является так называемый «мокрый» с нерегулируемым и в большинстве случаев практически полным затоплением систем горных выработок. В соответствии с тематикой исследований ниже даётся характеристика освоения месторождений подземным способом.
Шахтная разработка велась и ведётся широким фронтом с большой нагрузкой на забой и высокой степенью извлечения угля. Глубина освоения достигает 1,5км. Эксплуатация осуществляется в современных условиях обычно длинными забоями (лавами) столбовыми и панельными системами вдоль простирания слоев. Наиболее мощные пласты разрабатываются с разделением на слои. Свиты пластов разрабатываются в нисходящем порядке в случаях нежелательного нарушения других пластов и вмещающих массивов сдвижением.
Применение прогрессивных технических средств и организации поточно-цикличной технологии горного производства предполагает относительно слабую тектоническую нарушенность и простые горно-геологические условия. В настоящее время по этим причинам в разработке находятся практически исключительно полого- и наклоннозалегающие залежи.
Типичными параметрами очистных выработок являются: вынимаемая мощность от 1 до 4м (в один слой), длина забоя - около 100-150 м, скорость подвигания - не менее 20 м/месяц. Управление кровлей осуществляется в основном полным обрушением, практически вытеснившим другие способы. В случае выемки угля обратным ходом, открываются дополнительные возможности для разведки геолого-гидрогеологической обстановки до начала очистных работ. С глубины 600м горизонты разработки считаются «глубокими». На меньших глубинах перемещение пород осуществляется с естественным разделением на отдельные блоки. В области блочного смещения характерным явлением при полном обрушении служит периодическое обрушение пород в выработанное пространство лавы по мере подвигания очистного забоя и стабильность вторичных шагов обрушения непосредственной и основной кровель. На глубоких горизонтах существенны проявления реологических свойств массива и вязкопластичное его перемещение.
Поступление в выработки воды оказывает значительное влияние на горно-геологические условия освоения. Его характер детально описан в специальной литературе и по этим причинам здесь не рассматривается. Наибольшее влияние на ход горных работ имеют притоки в отдельные выработки. Его степень находится в прямой связи с формой и локализацией поступления притока, достигая максимума в случаях внезапных прорывов воды в рабочее пространство и снижаясь при поступлении в другие части выработки. Просачивание даже большого количества воды оказывает в основном косвенное воздействие на безопасность работ.
Водопроявления характеризуются определёнными закономерностями локализации, объёма, времени, формы поступления притока. Они формируются скоплениями подземных и поверхностных вод, метеорными водами, подачей воды, её утечками из водоводов. Вода поступает по каналам различного происхождения и характеристик, в частности, слоям, зонам пористых и трещиноватых пород, полостям разрывных нарушений, скважинам, ЗВТС, другим выработкам.
Теоретически возможны два способа взаимодействия горных выработок и водных скоплений: путём непосредственного вскрытия их выработкой либо вскрытия сообщающихся с ними водопроницаемых каналов, существовавших до начала проходки или появившихся в ходе неё.
Наличие устойчивых вариантов обводнения создаёт естественную основу для деления совокупности месторождений (их участков) на вполне однородные и стабильные части. Эти моменты фиксируют типизации месторождений полезных ископаемых по условиям обводнения горных выработок.
Подобная типизация, разработанная нами с учетом данных закономерностей, приведена в [94]. Выводы о типологической принадлежности делаются на основе сведений о геологическом строении, размещении и характере водных скоплений, глубине залегания, количестве и мощности, способе эксплуатации угольных пластов и иных данных. Успешное типологическое распознавание облегчает оценку ожидаемых гидрогеологических условий разработки, хотя прямой и чёткой связи их с номенклатурой объекта не существует. Дополнительный интерес типизация приобретает в связи с организацией мониторинга экологических последствий ликвидации и консервации предприятий «мокрым» способом.
Эти представления о схемах гидродинамического взаимодействия выработок и водных скоплений [74,94] используются ниже для решения рассматриваемых вопросов.
Обводнённость выработок обычно максимальна в сфере действия гидрометеорологических факторов и существенно уменьшается с глубиной.
Если на верхних горизонтах величина притока воды в отдельные выработки не превышает обычно нескольких десятков м /ч, то с глубиной она, как правило, резко снижается, и на нижних горизонтах выработки нередко являются сухими. Глубина с преобладанием абсолютно сухих выработок варьирует в широких пределах, значительно отличаясь в условиях различных бассейнов. Так, в Кузбассе она превышает в большинстве районов приблизительно 150м, в Донбассе - 600м.
Обводнённость выработок (и пород) обычно наиболее значительна в зоне влияния водных объектов, где может отмечаться постепенное или скачкообразное нарастание величины притока воды из данного источника.
Водные объекты представлены в основном поверхностными водотоками и водоёмами, водообильными водоносными горизонтами, закарстованными и горелыми породами, затопленными горными выработками и др.
Новые данные о закономерностях сдвижения земной поверхности над очистными выработками
Поскольку вертикальная проницаемость глинистых пород в естественном залегании - и в зоне связного прогиба массива - мало отличается от нуля, полученные оценки на 4 шахтах должны быть отнесены, по нашему мнению, к ЗВТС. Они характеризуют свойства общей объединённой ЗВТС над выработанным пространствами верхнего и среднего из отработанных пластов и средней-верхней части зоны по высоте над нижним из них(пластом 11) на шахте «Пионерка» и средней-верхней части зоны над обоими пластами шахты «Глубокая». Отметим, что во всех случаях приведенные выше данные характеризуют перетоки в части ЗВТС, состоящей практически только из ОВТ.
Выполненное сотрудниками ВНИМИ термометрическое определение проницаемости песчано-глинистой толщи, состоящей из механически слабых пород, на шахтоуправлении им. Артёма (вынутая мощность - около 3,5м, полное обрушение кровли, гидростатическое давление на поверхность фильтрации до 300м водяного столба), показало, что величина коэффициента фильтрации внутри ЗВТС составила приблизительно 0,002 м/сутки [173]. Отметим практическое совпадение оценок проницаемости для случаев водообмена между различными горизонтами, с одной стороны, и для рассмотренных выше 5 случаев перетоков из подработанных затопленных выработанных пространств, а также из трещин расслоения, с другой.
Наибольшее и довольно существенное расхождение в случае с шахтой «Глубокая» связано с погрешностью съёма информации с приведенных в литературном источнике графиков, а также метрологической погрешностью.
Отметим также, что близость значений проницаемости, оцененной по материалам подработок затопленных выработок, водопроявлений из полостей расслоения, с одной стороны, и наблюдений за перетоками между водоносными горизонтами, с другой, по разным зависимостям, правомерно считать указанием на различие условий формирования напорного градиента для этих случаев и равенство градиента в последнем из них единице. Иные результаты даёт расчёт для всех групп случаев с применением одной и той же формулы (3.8 или 3.9). Подобное обстоятельство вызвано, по-видимому, различием в формировании градиента на границе полостного водного объекта и при перетоках между горизонтами.
Интересно также отметить, что близкими значениями коэффициента фильтрации - 0,007 м/сутки (погрешность оценки около 100%) характеризуются по данным термометрических исследований пачки мергелистых известняков над лавами одной из
165 сланцевых шахт Ленинградского месторождения горючих сланцев [8]. Разработки велись здесь на глубине около 80м. Вынутая мощность составляла около 1,9м, величина притока воды в лаву - до 190 м /ч. Полученные значения водопроницаемости характеризуют свойства пород средней-верхней частей ЗВТС.
Рассчитанное нами и приведенное в монографии [121] значения коэффициентов фильтрации пород по нормали к напластованию различаются между собой фактически в пределах погрешности. Эти данные хорошо соответствуют оценкам водопроницаемости на каменноугольных месторождениях и свидетельствуют о наличии общих закономерностей трещинообразования при сдвижении пород в условиях месторождений пластовых полезных ископаемых в массивах полускальных и скальных пород.
Сравнение полученных различными методами массовых оценок (22 ед.) фильтрационных свойств интервалов разреза типичного для угольных месторождений смешанного литологического состава внутри верхней и средней частей ЗВТС (15 ед. по материалам перетоков из затопленных выработок, 2 ед. - из трещин расслоения, 5 ед. -перетоков между водоносными горизонтами) показывает их сопоставимость на всех объектах и бесспорное совпадение на большинстве объектов с учётом погрешностей различных видов.
Характерная величина коэффициентов фильтрации составляет приблизительно 0,003 м/сутки при вариациях отдельных оценок в диапазоне 0,0013-0,0075 м/сутки, то есть имеет устойчивый характер. Указанные вариации связаны с высокими погрешностями оценки расчётных параметров.
Ввиду узости диапазона изменчивости коэффициента фильтрации толщ песчано-глинистого состава внутри верхней и средней частей ЗВТС и с учётом вероятной погрешности оценки его действительное значение может вполне считаться константой, в первом приближении близкой к 0,003 м/сутки.
Данное значение отвечает, например, ситуации весьма обширной подработки затопленных выработок (случай 13, Приложения А,Б), когда участки разгрузки и общей площади подработки заведомо практически равновелики и погрешность оценки по фактору площади перетекания минимальна.
Тождественность значений вторичной трещинной проницаемости проявляется в условиях широкого спектра мощности и состава (так, для подработок затопленных выработок - величина междупластья варьирует от 16 до 155м, содержание в них глинистых пород - от 28 до 89%), структуры (мощности, чередования слоев различных литотипов), начальной проницаемости разделяющих интервалов массива, кратности их подработки, физико-механических и иных показателей горных пород, других характеристик обстановки.
Эта близость имеет массовый характер и в условиях разнообразия природных и горнотехнических характеристик изучаемых объектов не может расцениваться как случайное явление. Выводы автора о стабильности значений и величине коэффициента фильтрации песчано-глинистых породных толщ по нормали к напластованию внутри ЗВТС [69-73] нашли подтверждение в ходе более поздних натурных исследований и получили признание в действующих руководящих [34,62,130] и методических документах отраслевых организаций [59,60], работах специалистов по рассматриваемому кругу вопросов, например, [121].
Сопоставимость и даже практически неразличимость фильтрационных свойств интервалов разреза могут быть признаны указанием на наличие на пути движения фильтрационного потока структурных элементов-стабилизаторов данного параметра. Полученные оценки проницаемости должны быть отнесены к породным телам, имеющим среди них наименьшие фильтрационные свойства, - слоям аргиллитов, алевролитов (мергелей на горючесланцевых месторождениях) - пород на глинистой основе [70]. Эти компоненты массива имеют, при прочих равных условиях, минимальную трещинную проницаемость в естественном и, как показывают натурные исследования, также нарушенном сдвижением залегании, определяя по этой причине сквозную и результирующую проницаемость вмещающей их породной среды смешанного состава по нормали к напластованию.
Данное заключение находится в полном соответствии с выводами о резко дифференцированной проницаемости пород-типичных компонентов угленосных толщ на каменноугольных месторождениях. Соответственно, внутри ЗВТС на пути фильтрационного потока имеются гидродинамические границы III рода.
Равнопроницаемость разных слоев устанавливается в условиях заведомо различных её начальных значений, что свидетельствует о развитии соответствующих выравнивающих - релаксационных - тенденций.
Свойство слоев глинистых пород стабилизировать свою вертикальную проницаемость служит источником сведений о механизме формирования вторичной трещинной расчленённости и проницаемости подработанной толщи и отправным положением в дальнейших исследованиях ЗВТС. Заложение и распространение, а также ряд свойств систем водопроводящих трещин могут быть при этом оценены по результатам сопоставления степени соответствия вероятных моделей трещинообразования наблюдающимся геомеханическим эффектам [96].
Природа обнаруженного эффекта стабилизации сопряжена, очевидно, со свойствами сети торцевых фильтрующих трещин в глинистых породах [96]. Приведенные эмпирические данные могут быть истолкованы как свидетельство относительно равномерного площадного распределения торцевых трещин в слоях глинистых пород на участке перетекания, проявления тенденции выравнивания раскрытости наиболее проницаемых из них, скоротечности и асимптотическом характере формирования их зияния.
Формирование пустотного пространства на шахте «Западная» в условиях неглубокого затопления смежных шахт
Важное значение для понимания геомеханических событий вблизи затопленных выработок шахт имеют материалы о притоках воды в стволы шахты «Западная», проходящие сквозь массив с затопленными выработками на вышележащих пластах старых шахт.
При формировании водного объекта здесь зафиксированы поначалу довольно незначительные, постепенно нарастающие притоки в стволы шахты «Западная», переросшие в итоге в прорывы воды сюда в феврале, затем в октябре-ноябре 2003 г. Шахта «Западная» (бывш. «Западная-Капитальная») вела на рубеже тысячелетий горные работы на пласте ц . Наряду с другими угледобывающими предприятиями она отрабатывала ранее Несветаевский (к2 ), Коминтерновские (к2 , к2 ) и Степановские (/з , /з ) пласты антрацита в западной части Шахтинско-Несветаевской синклинали. Затопленные и незатопленные шахты разных лет, преимущественно старые, на пластах Коминтерновских и Несветаевском далее в тексте фигурируют под именем «Шахта им. СМ. Кирова». Поле шахты находится в донной части складки рядом с полями шахт «Соколовская» и «Несветаевская».
Крылья синклинали пологие (на юге - 15-25) или крутые (северное крыло 30-45); залегание слоев в донной части в основном пологое. Разрывные нарушения, представлены поперечными сбросами и надвигами. Углевмещающие отложения сложены характерным для Донбасса комплексом осадочных пород.
Вода, стекающая из закрытых шахт района, откачивалась групповым водоотливом «Кошкинский», расположенным во вспомогательном вентиляционном стволе № 1 соседней шахты им. В.И. Ленина. Приток сюда составлял в среднем 1700, в период паводка - до 2300 м /ч.
С конца 1970-х гг. выемка пласта /з велась под частично затопленными выработками и выработанным пространством Коминтерновских пластов, где водный объект начал формироваться в конце 1970-х-начале 1980-х гг. Разработка осуществлялась длинными столбами по простиранию с полным обрушением кровли и вынимаемой мощностью около 1м. Максимальная глубина горных работ составляла около 750м. Минимальная мощность массива между пластом /3 и водным объектом (с запасами воды около 30 миллионов м ) равна 330м, а кратность подработки последнего составляла около 300.
После 4.04.1999 г. вследствие аварийного прекращения группового водоотлива произошло разрастание скопления воды в выработках Несветаевского пласта. Скорость подъёма уровня их затопления с абсолютной отметки минус 164м достигала 1м/сутки, затем к концу 2001 г., постепенно ослабевая, варьировала от 0,5 до 0,2 м/сутки.
Затопленные пространства на Несветаевском и Коминтерновских пластах имеют между собой гидравлическую взаимосвязь по горным выработкам.
Схематические план шахтных полей и геолого-технический разрез района поступления прорывов показаны на рисунках 4.3 и 4.8 (последний представляет собой исправленный вариант рисунка из [119]), основные элементы геологической и горнотехнической обстановки у места поступления прорывов - на рисунках 4.9,4.10.
Шахта считалась неопасной по внезапным выбросам угля и газа и угрожаемой (пласт /Зн) по горным ударам с глубины 680м. По сообщениям горняков в период эксплуатации было зафиксировано несколько весьма слабых ударов.
На рубеже тысячелетий разработки проходили в условиях незначительности водопроявлений в очистных и подготовительных выработках и отсутствия их в выработанном пространстве из водного объекта в шахте им. СМ. Кирова по зонам водопроводящих трещин сдвижения. В то же время имели место притоки воды в стволы шахты, особенно обильные в интервалах размещения этого объекта.
К октябрю 2003 г. несколько стволов шахты «Западная» пересекали целики или горные выработки (по пластам к2 , к2, к2н) в интервале затопления.
Два из них - главный ствол № 2 и блоковый вентиляционный ствол № 1 -послужили проводником крупных прорывов воды в шахту. Они находятся на промплощадке шахты вблизи оси синклинали у наиболее глубокой части водного объекта в выработках на пластах к2 ,к2, к2.
С целью снижения притока воды в стволы был произведен тампонаж ряда околоствольных массивов и подводящих к ним выработок старых шахт.
Строительство блокового вентиляционного ствола № 1 выполнено в 1980-1985 гг. Ствол имеет глубину 810м и пройден до пласта i2 в целике по всем угольным пластам, за исключением к2 . Здесь стволом была вскрыта подтопленная выработка-заезд из штрека 070 на уклон № 3. Крепь ствола состоит из монолитного бетона проектной толщиной 0,3 м, в интервалах неустойчивых пород имеет толщину 1,0-1,5 м, у зафиксированного канала мощных водовыделений - 0,65-0,70 м. Диаметр ствола в свету - 6м, площадь сечения в свету - 28,3м , вчерне - 34,2м . Кровля пласта к2 вскрыта на отметке минус 121,2 м абс. Этот ствол имеет отметку устья около «+174 м абс.» и расположен в 2,5км от главного ствола № 2.
Геологический разрез, горнотехническая и гидрогеологическая ситуация у стволов главного № 2 и блокового вентиляционного № 1 шахты «Западная»
Главный ствол № 2 пройден в 1958-1960 гг. на пласт /Зн в целике по всем пластам, имеет глубину 705м, диаметр 6,5м в свету, площадь сечения - 33,2м . Почва пласта /з11 вскрыта на отметке минус 470,6 м абс, или глубине 676,1м. Отметка устья ствола около «+204 м абс».
На промплощадке (по оси главного ствола № 2) массив до глубины 31м представлен суглинками, в интервале 31-49 м - плывунными песками, ниже идёт типичное переслаивание песчаников, алевролитов, аргиллитов, известняков, углей.
Угольный пласт к2 пересечён стволом в интервале глубин 258-260 м на отметке около минус 55 м абс. Здесь в 15,4м от ствола проходит порожняковая ветвь околоствольного двора горизонта этого пласта с размерами сечения 2,43 м х 2,48 м. Выработка закреплена монолитным бетоном толщиной 0,3 м, находившимся в идеальном состоянии. Из ветви пройдена на сопряжение со стволом по угольному пласту сбойка с размерами сечения 2,5 м х 1,6 м. В сбойке имелось 3 перемычки, сведения о состоянии которых противоречивы. Какие-либо разрывные нарушения на участке сбойки не встречены, пучения, разрушения горных пород давлением не зафиксировано. В крепи ствола на сопряжении со сбойкой имелось субквадратное отверстие сечением ДО 1 М X 1 м.