Содержание к диссертации
Введение
I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Краткий горно-геологический очерк Западного Донбасса 11
1.2. Определение некоторых терминов 19
1.3. Обзор изученности вопроса 20
1.3.1. Прогнозирование водопритоков в шахты Западного Донбасса 20
1.3.2. Исследования гидрогеологических условий отработки угольных пластов с учетом взаимного влияния системы горная выработка - водоносный горизонт в Западном Донбассе 24
1.3.3. Исследования условий отработки угольных пластов с учетом взаимного влияния системы горная выработка - водоносный горизонт в других угледобывающих районах 29
1.3.4. Изученность процесса трещинообразования в окрестности очистной выработки 33
1.3.5. Опыт применения и состояние разработок по борьбе с водопритоками в шахты Западного Донбасса 36
1.4. Цель и задачи исследований 41
1.5. Выводы 41
2. РАЗРАБОТКА ПРОГНОЗА ВОДОПРОЯВЛЕНИИ В ОЧИСТНЫХ ВЫРАБОТКАХ
2.1. Методика натурных наблюдений. Сбор и обобщение фактического материала 44
2.2. Особенности водопроявлении в очистных выработках шахт 47
2.2.1. Внешний характер водопроявлении в лавах и на сопряжениях с выемочными штреками 47
2.2.2. Поведение углевмещающих пород Западного Донбасса под действием воды 55
2.2.3. Влияние водопроявлений на работу оборудования в очистных выработках 61
2.2.4. Роль естественно-геологических и технологиченских факторов в формировании водопроявлений в лавах 63
2.3. Зональность водопроявлений 73
2.4. Показатель прорывоопасности подземных вод 79
2.5. Прогноз участка обводнения лав и высоты развития водопроводящих трещин 83
2.6. Время безопасного простоя лав 86
2.7. Выводы 92
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОЧИСТНЫХ ВЫРАБОТОК И ВОДОНОСНЫХ ПОРОД.
3.1. Гидрогеомеханические условия формирования водопроявлений в очистных выработках 95
3.2. Исследование геомеханических факторов водопрояв-ления при помощи гидрогеологических измерений в лавах и лабораторных испытаний горных пород 103
3.2.1. Исходные предпосылки и выбор способов экспериментальных и лабораторных испытаний 103
3.2.2. Выбор необходимых гидрогеологических измерений и лабораторных характеристик углевмещающих пород Западного Донбасса для оценки уровня напряженно-деформированного состояния породного массива над лавой 105
3.2.3. Результаты натурных гидрогеологических измерений в лавах и оценка уровня напряженно-деформированного состояния зоны водопроводящих трещин над очистными выработками 112
3.3. Исследование влияния скорости подвигания забоя на напряженно-деформированное состояние породного массива в окрестности очистной выработки 115
3.3.1. Состояние разработок по учету фактора времени к описанию напряженно-деформированного состояния породного массива
3.3.2. Экспериментально-аналитическое исследование параметров породного массива возмущаемого движущейся очистной выработкой 121
3.4. Определение зоны водопроводящей трещиноватости
над очистными выработками шахт Западного Донбасса 128
3.5. Выводы 137
ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ СНИЖЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ВОДОПРОЯВЛШИИ НА ТЕХНОЛОГИЮ ВЫЕМКИ УГЛЯ
4.1. Противофильтрационные завесы - способ охраны естественных ресурсов подземных вод и улучшения условий добычи угля . 141
4.1.1. Общие положения 141
4.1.2. Обоснование технологических схем возведения противофильтрационных завес в подземном варианте 144
4.1.3. Расчет противофильтрационных завес применительно к различным технологическим схемам их возведения 155
4.1.4. Обоснование и совершенствование конструкции пакерущих устройств 168
4.2. Условия и область применения дренажа 174
4.3. Горнотехнические способы управления водопроявле- ниями в очистных выработках 177
4.3.1. Обоснование технологической схемы по управлению водопроявлениями горнотехническими способами 177
4.3.2. Прогнозный гидрогеомеханический паспорт лавы 180
4.3.3. Управление водопроявлениями с привлечением скоростного режима работы лав, временного режима подготовки выемочных столбов и конструкции применяемых крепей 183
4.3.4. Подготовка выемочных столбов спаренными штреками в качестве способа активного воздействия на водопроявления в лавах 189
4.3.5. Обоснование способа управления кровлей и требований к конструкции крепей в очистных забоях при подработке водоносных пород 193
4.4. Выводы 198
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 202
ЛИТЕРАТУРА 205
ПРИЛОЖЕНИЯ
1. Акт внедрения 219
2. Рекомендации по применению и методике расчета параметров горнотехнических мер для снижения влияния водопроявлений в лавах шахт Западного Донбасса 220
3. Акт внедрения 224
4. Справка об использовании научно-практических разработок 225
5. Акт внедрения новой технологии водоподавления 226
6. Справка об использовании научно-практических разработок 228
7. Результаты геофизических измерений в скважинах в зоне влияния очистной выемки на шахтах "Благодатная" и "Терновская" 229
- Краткий горно-геологический очерк Западного Донбасса
- Методика натурных наблюдений. Сбор и обобщение фактического материала
- Гидрогеомеханические условия формирования водопроявлений в очистных выработках
- Противофильтрационные завесы - способ охраны естественных ресурсов подземных вод и улучшения условий добычи угля
Краткий горно-геологический очерк Западного Донбасса
Западный Донбасс, благодаря выгодному экономико-географическому положению, относится к числу быстро развивающихся угледобывающих районов страны. Сорока-пятидесятиметровой полосой протянулся этот угленосный регион Украины по территории Днепропетровской и Харьковской областей.
Угольные месторождения приурочены к отложениям нижнего и среднего карбона и имеют естественно-геологические органичения: на юге - Украинский кристаллический щит, на севере - Михайловский сброс. По данным геологической разведки и промысловой геофизики, угленосность нижнего и среднего карбона распространяется на северо-запад, север и северо-восток до глубины 3000 м 109J.
В настоящее время детально разведаны и интенсивно осваиваются угольные месторождения Павлоградско-Петропавловского геолого-промышленного района, где имеется одиннадцать действующих шахт (рис. I.I).
В строении продуктивной толщи района имеются кристаллические породы докембрия и осадочные породы девонской, каменноугольной, триасовой и юрской систем, перекрытых третичными и четвертичными отложениями.
Отложения докембрия в районе вскрыты единичными скважинами в северо-восточной прибортовой части украинского кристаллического массива. Естественные выходы докембрийских пород на земную поверхность прослеживаются в долине реки Волчьей и ее притоков. Представлены они выветрелыми биотитовыми гнейсами, гранитами, гранодиоритами, кварцитами и другими породами, погружающимися на северо-восток под углом 2-4 в сторону Днепров-ско-Донецкой впадины.
Отложения девонского возраста расположены вдоль северовосточного борта Украинского кристаллического массива и сложены аркозовыми и кварцевыми песчаниками с тонкими слоями монт-мориллонитовых глин.
Мощность отложений девона незначительная и составляет 5-20 м, уменьшаясь в северо-западном направлении до полного выклинивания.
Каменноугольные отложения в рассматриваемом районе представлены всеми свитами нижнего и среднего отделов.
Свита с (Самарская) является основной продуктивной толщей нижнего карбона, в которой распространены угли промышленного значения. По литологическим особенностям свита разделяется на две подовиты - нижнюю и верхнюю (рис. 1.2).
Методика натурных наблюдений. Сбор и обобщение фактического материала
Решение задачи по выявлению естественно-геологических факторов, влияющих на механизм водопроявления в очистных выработках, предпринято в настоящей работе на базе детального анализа природной и горнотехнической обстановки. Основу подобного подхода к изучению явлений составляет, как правило, систематизация и обобщение результатов целенаправленных натурных наблюдений с привлечением апробированных методов регрессивного анализа и математической статистики / 7l,II6_7.
Специфика ведения выемочных работ в шахтах Западного Донбасса весьма сложна и любые операции, связанные с производством наблюдений за состоянием боковых пород в действующих лавах, требуют значительных затрат времени. В связи с этим достижение массовости в получении фактических данных о водопроявлениях в очистных выработках возможно, если использовать различные источники информации: визуальное обследование и производство необходимых измерений в лавах, периодический анкетный опрос инженерно-технического персонала добычных участков; документация паспортных данных геологической и маркшейдерской службы шахт; выписка протокольных сведений об авариях лав, связанных с во-допроявлениями; паспортизация данных геологоразведочных работ, соответствующих различным периодам освоения месторождения. Все эти источники, далеко не равнозначны по достоверности, но критическая оценка получаемой информации и ее массовость в таких случаях являются необходимыми условиями надежности количественной интерпретации наблюдаемого явления / 71_7.
В процессе визуального обследования водопроявлений в лавах оценивался характер поступления воды (просачивание, капеж, струйчатое выделение), степень заполнения обнаженных водопро-водящих трещин, их раскрытость и интенсивность развития по контуру очистной выработки относительно линии забоя или элементов крепи, пространственная ориентировка трещин. Измерялась протяженность участка лавы, подверженного водопроявлению относительно выемочного штрека, а также величина водопритока (при наличии волнообразного углубления в почве угольного пласта). При обследовании лавы в ремонтно-подготовительную смену фиксировалась скорость перемещения зоны обводнения по лаве. Оценивалось состояние крепи очистного забоя: перекосы, деформации стоек, погружение основания крепи в почву очистной выработки. Фиксировалось также наличие и характер водопроявлений в выемочном штреке на участках, прилегающих к сопряжению с лавой.
Гидрогеомеханические условия формирования водопроявлений в очистных выработках
В настоящей работе анализировалась связь гидродинамических процессов формирования водопритоков на участке ведения очистных работ и геомеханических факторов, обусловливающих водопроявления в очистных выработках при подработке водоносных горизонтов. Характер этой связи необходимо установить для обоснованного детерминирования указанных факторов при выборе горнотехнических мер защиты от водопроявлений.
В простейшем случае сказанное иллюстрируется рис. 3.1. Пути поступления воды из подрабатываемого водоносного горизонта I (например, угольного пласта нерабочей мощности) и из отрабатываемого угольного пласта 2 показаны стрелками. Сбор и отвод сдренироЕанной воды осуществляется штреками 3 и 4 автономно.
Формирование водопритока в штрек 4 гидравлически обусловлено водопроводимостью и напором подрабатываемого водоносного горизонта, а также фильтрационными свойствами зоны обрушения 5 и объема горных пород над очистной выработкой 6. В определенных условиях нормально секущие трещины в этом объеме вскрывают водоносный горизонт и становятся проводниками воды в рабочее пространство лавы.
Уже отмечалось, что указанные пути дренажа и сбора воды вызываются качественно различными, но взаимообусловленными процессами сдвижения горных пород и напряженно-деформированного состояния в окрестности очистной выработки. Например, считается, что зона водопровододих трещин на границе поддерживаемого и обрушенного пространства мобильна и постоянно стремится приблизиться к призабойной части лавы /T21J. Хотя утверждение гипотетическое, оно не противоречит апробированным представлениям о временных процессах в сдвижении подработанного породного массива в Западном Донбассе.
Очевидно, что гидравлические характеристики зоны обрушения и объема пород над очистнш выработкой резко отличны, поскольку начальное разрыхление вызывается соответственно отличающимися на порядок вынимаемой мощностью пласта и конвергенцией кровли в поддерживаемом пространстве.
Предположим, что гидродинамическая связь горных выработок, в том числе и зоны погашенного пространства, с подрабатываемыми водоносными породами существует независимо от геомеханических условий трещинообразования в окрестности очистной выработки. Доказательство высказанного предположения позволяет развить выводы авторов работы / 18_7 об управляемости водопритоком , как сложным горно-геологическим процессом. В частности, для Западного Донбасса этот вывод правомерно будет распространить на водопроявления в очистных выработках. Следует напомнить, что смысл терминов водопроявление и водоприток существенно различен (см. п.1.2).
Противофильтрационные завесы - способ охраны естественных ресурсов подземных вод и улучшения условий добычи угля
Уже отмечалось, что решение проблемы предотвращения негативных последствий водопроявлений в лавах шахт Западного Донбасса неразрывно с разработкой мер по устранению прогрессирующего истощения водоносных горизонтов хозяйственно-питьевого назначения.
На совещании-семинаре "По предотвращению истощения подземных вод в Западном Донбассе и проблеме использования шахтных вод", состоявшемся 24-25 марта 1982 г. в г.Днепропетровске с участием руководителей Шнуглепрома УССР, Шнгео УССР, Шнвод-хоза УССР, Академии наук УССР и других заинтересованных организаций, указывалось, что под влиянием шахтного водоотлива в водоносных горизонтах формируются депрессионные воронки с радиусом от 5 до 13 км со сработкой уровня в центре депрессии до 35 м. Среди других мероприятий, намеченных для решения этой проблемы, указано на необходимость разработки комплексного проекта снижения водопритоков в горные выработки путем создания противофильт-рационных завес.
В Западном Донбассе это, в первую очередь, относится к шахтным полям гидрогеологически открытого типа (см. П.І.З.І). В таких условиях основной мерой, предотвращающей водопритоки в лавы из отрабатываемого угольного пласта, служит дренаж пластовыми магистральными и в отдельных случаях, специальными дренажными выработками.
На сегодняшний день такое положение нельзя признать удовлетворительным как по изложенным причинам, так и в связи с тем, что проходка и поддержание дренажных выработок в нормальных горно-технических условиях затруднена вследствие потери несущих свойств горных пород под действием воды и увлажненной рудничной атмосферы. Эти факторы способствуют интенсификации пучения почвы выработок до размеров, затрудняющих нормальную их эксплуатацию. Так, процент перекрепления основных подготовительных выработок с увеличением водопритока возрастает в 3-4 раза / 109_/.
В выработках, где есть водоприток, увеличивается интенсивность горного давления, наблюдается разрушение замков, деформация элементов крепи и затяжки, смещение ножек крепи внутрь выработки Z 7JT.
Расчеты показывают / 104_7, что проведение основных подготовительных выработок полевыми создает условия, при которых две третьих выемочного столба будет обводняться и водоприток дренироваться лавой. На рис. 4.1 изображена схема фильтрационного потока для указанного случая, где стрелками показано направление линий тока. Такая схема несколько идеализирует картину растекания воды в отрабатываемом угольном пласте, а такие факторы, как наличие ложеобразных понижений в гипсометрии почвы пласта, участки с локально пониженными фильтрационными свойствами будут способствовать расширению площади растекания в подготовленных выемочных столбах. Величина водопритока в лаву, как известно, в условиях шахт Западного Донбасса не может иметь принципиального значения при установлении эжсплуатационннх норм на работу лав. Здесь вывод Однозначен: только полное устранение источников увлажнения боковых пород в очистных выработках гарантирует безаварийную выемку угля.
