автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Гидрогеомеханические процессы в водонасыщенных рыхлых отложениях при ведении подземных работ на угольных месторождениях

А Ц * ,

ы' ■ -......■ - ' '

Министерство топлива и энергетики Российской Федерации

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА

(ВНИМИ)

Аспирант Н. П. Панчуков

Гидрогеомеханические процессы в водонасы-щенных рыхлых отложениях при ведении подземных работ на угольных месторождениях.

( на примере освоения новых месторождений Подмосковного буроугольного бассейна).

Диссертация, представленная на соискание учёной степени кандидата технических наук.

Научный руководитель:

профессор, докт. геол. -минерал, наук Ю.А.Норватов

г. Санкт-Петербург, 1999г.

СОДЕРЖАНИЕ.

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................4

1. ИЗУЧЕННОСТЬ ГИДРОГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ БУРОУГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ...........................................................................................8

1.1. Состояние изученности гидрогеомеханических процессов..........................................................................................................................8

1.2. Краткий анализ методов исследования гидрогеомеханических процессов.............................................................................................17

1.3. Цели и задачи исследований..............................................................19

2. ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ВЕДЕНИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ НА ШАХТАХ ПОДМОСКОВНОГО БУ-РОУГОЛЬНОГО БАССЕЙНА............................................................................22

2.1. Геологическое строение и гидрогеологические условия разработки месторождений Подмосковного буроугольного бассейна (ПУБ)..........................................................................................................22

2.2. Гидрогеомеханические процессы при ведении очистных работ на примере месторождений Подмосковного буро-угольного бассейна..............................................................................................28

3. АНАЛИЗ И ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРОГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВЕДЕНИИ ОЧИСТНЫХ РАБОТ НА НОВЫХ ШАХТАХ ОАО "ТУЛАУГОЛЬ"....................................................................................................44

3.1. Анализ закономерностей сдвижения земной поверхности на новых шахтах ПУБ....................................................................................44

3.2. Исследование процессов деформирования слоистого надугольного массива при ведении очистных работ.......................................64

3.3. Оценка влияния очистных работ на режим подземных

вод..........................................................................................................................70

3.4. Эксперимент по изучению гидрогеомеханических процессов при ведении очистных работ в лаве 301...............................................88

3.5. ВЫВОДЫ.............................................................................................

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГИДРОГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.............................100

4.1.Схематизация гидрогеомеханических условий ведения очистных работ на шахтах Подмосковного буроугольного бассейна.......................................................................................................................100

4.2. Изучение на численных моделях гидрогеомеханических процессов......................................................................................................104

4.3 Результаты изучения гидрогеомеханических процессов на численных моделях.........................................................................................111

5. ГИДРОГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИНЖЕНЕРНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ЭФФЕКТИВНЫХ И БЕЗОПАСНЫХ УСЛОВИЙ ПОДЗЕМНЫХ РАЗРАБОТОК...................................................................................................................121

5.1. Особенности формирования прорывоопасных условий при ведении очистных работ на новых шахтах Подмосковного угольного бассейна...............................................................................................122

5.2. Использование восстающих скважин при осушении та-русско-окских известняков.................................................................................125

5.3. Влияние технологических параметров ведения очистных работ на возникновение прорывоопасных условий..................................132

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................145

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................148

ВВЕДЕНИЕ.

Уголь является важным сырьём для получения электроэнергии. Наряду с этим увеличивается использования бурого угля как сырья для химической промышленности [1].

В последние годы в топливно-энергетическом балансе нашей страны роль твёрдого топлива значительно уменьшилась, и эта тенденция, возможно, сохранится на перспективу. Вместе с тем необходимо отметить что рост объёмов добычи углей связан с уменьшением его себестоимости. Одним из факторов ведущих к удорожанию угля являются простои и потери при ведении горных работ в сложных горногеологических условиях.

В горнодобывающих странах мира накоплен большой научный и технический потенциал в борьбе с осложняющими факторами ведения горных работ, которые не только вызывают резкое удорожание каждой тонны полезного ископаемого, но иногда делают его добычу невозможной. Разработка качественных и количественных планов развития горных работ ведётся с учётом геологической, гидрогеологической и геомеханической обстановки месторождений. Выявление и построение на планах горных работ зон повышенного горного давления, зон опасных по прорывам воды и др.

Решая задачи повышения эффективности добычи угля при постоянном улучшении условий и безопасности труда, повышения извлечения запасов и уменьшения вредного влияния горных работ на окружающую среду, необходимо понимание физических процессов и явлений в углевмещающем массиве.

Напряженное состояние водонасыщенных массивов углевмещающих пород существенно зависит от гидростатического взвешивания и гидродинамического давления. При изменении соотношения этих силовых факторов получает развитие гидрогеомеханический процесс, который сопровождается изменением напряжений и деформациями обводненных породных массивов [2,3,4,5,6]. При строительстве и эксплуатации шахт совместное проявление

геомеханических и гидродинамических процессов зачастую приводят к деформациям крепи подземных горных выработок, прорывам в них воды и во-донасыщенных рыхлых отложений и другим осложняющим факторам [7].

Исследование гидрогеомеханических процессов, происходящих в горном массиве в результате проведения горных выработок в типичных горногеологических условиях, позволяет установить основные закономерности деформации водонасыщенных пород. Зависимость этих процессов от совокупности влияющих естественных и технологических факторов.

Общей гипотезы сдвижения массива позволяющей прогнозировать характер деформирования пород и оценивать приток воды в горные выработки при подработке водоносных горизонтов, в настоящее время нет. Однако накоплен богатый опыт исследований при решении различных вопросов в горнорудной практике, позволяющих оценить деформацию массива применительно к разработке месторождений под водоносными горизонтами [8].

Значительный вклад в изучение процессов сдвижения пород внесли С.Г.Авершин, И.М.Бахурин, В.Н.Земисов, Д.А.Казаковский, С.П.Колбенков,

A.Н.Медянцев, Д.Н.Оглоблин, И.А.Петухов, Н.Ф.Шалагинов и другие исследователи, рассматривавшие геомеханический процесс главным образом с позиций его геометризации. Исследованию процесса сдвижения массива с позиций механики горных пород посвящены работы А.А.Борисова,

B.Д.Слесарева, В.И.Борщ-Компаниеца, Ж.М.Канлыбаева, И.А.Турчанинова, Г.Н.Фисенко. Изучению изменения фильтрационных свойств массивов при их подработке посвящены работы, Н.Н.Коцнельсона, Б.Я.Гвирцмана, Е.В.Бошенятова, И.В.Хохлова, Ю.П.Шокина и других исследователей.

Механизм развития гидростатических давлений в подрабатываемом массиве песчано-глинистых пород рассмотрен в работах Ф.П.Стрельского.

Большой вклад в решение вопроса безопасной работы под водоносными горизонтами для особо сложных гидрогеологических условий Подмосковного буроугольного бассейна внесли П.Г.Лабазкин, В.С.Момчилов, В.А.Потапенко, Н.В.Подъёмщиков. Руководители геологических служб

угольных предприятий Минов М.А., Синиченко Н.И., Бордаков И.Д., Виноградов В.Г. Бурашников В.Н. и другие.

Вместе с тем, до настоящего времени закономерности деформирования массивов водонасыщенных горных пород недостаточно детально исследованы, в частности, недостаточно изучена связь трещиноватости и фильтрационных характеристик подрабатываемого массива. В работах Б.Я.Гвирцмана, В.Н.Земисова, Н.Н.Коцнельсона, Н.Н.Шалагинова, Ю.П.Шокина, И.В.Хохлова и ряда других, направленных на оценку безопасной глубины подработки водоносных горизонтов, исследования были направлены в основном к изучению характера и величины зоны развития трещиноватости в подрабатываемом массиве для исключения аварийных прорывов поверхностных и шахтных вод в горные выработки. Однако до настоящего времени вопрос определения безопасного напора в подрабатываемых песчано-глинистых толщах остаётся дискуссионным.

Задачей проведенных исследований являлось определение качественной и количественной оценки основных факторов и процессов, влияющих на формирование прорывоопасных условий в подрабатываемых водоносных горизонтах. Оценка влияния слоистого строения отложений разделяющих горную выработку от водоносного горизонта на защитные свойства этой толщи. На основании натурных наблюдений за сдвижением земной поверхности и деформациями отдельных слоев, за изменением гидродинамического режима и проницаемости водоносных горизонтов при их подработке предлагается качественные и количественные оценки прогноза формирования прорывоопасных условий на подготавливаемых к отработке участках шахтного поля.

Моделирование [9] напряженного состояния водонасыщенного слоистого массива позволило получить положение зон повышенного порового давления в слоистом углевмещающем массиве и зависимость возникновения зон повышенного порового давления от скорости развития горных работ.

Изучение и прогноз гидродинамических и геомеханических процессов, развивающихся в подрабатываемом водонасыщенном неоднородном массиве является актуальной проблемой. Эта проблема должна решаться на основе единого гидрогеомеханического подхода, который должен обеспечивать схематизацию напряженно-деформированного состояния подрабатываемых массивов с учётом горно-технологических факторов, физико-механических и фильтрационных свойств песчано-глинистых отложений, структурных особенностей массива.

Идеи и принципы гидрогеомеханического подхода к анализу состояния водонасыщенных массивов горных пород реализовались многими учеными и специалистами- практиками при решении различных прикладных задач горного дела, гидротехнического, гражданского строительства и других областей производственной деятельности в пределах геологической среды. Теоретическая и методическая база гидрогеомеханического подхода, как научного направления, была сформулирована в монографии В.А.Мироненко и В.М.Шестакова "Основы гидрогеомеханики" (М. Недра, 1974).

1. ИЗУЧЕННОСТЬ ГИДРОГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ БУРОУГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.

1.1. Состояние изученности гидрогеомеханических процессов.

При решении вопроса о безопасных условиях ведения подземных горных работ на обводненных месторождениях гидрогеологи сталкиваются с необходимостью изучения массивов горных пород и содержащихся в них подземных водах в неразрывной связи. Как отмечает М. В. Сыроватко [10] формирование водопритоков к участкам горных выработок при различных системах разработки зависит в первую очередь от характера деформаций пород, возникающих над очистным пространством. С. Г. Авершин [11,12] показывает, что приток может возрасти не только в случае открытых трещин, но и в областях растяжения без разрыва сплошности, где повышается пористость и изменяются фильтрационные свойства пород. 3. И. Поляк [13] на основании обобщения случаев подработки в Подмосковном угольном бассейне делает вывод, что прорывы происходили в тех случаях, когда водоем оказывался в зоне обрушения. И. А. Бабокиным [14,15] проведен анализ условий прорывов обводненных песков в горные выработки в Подмосковном бассейне. В работе [16] изучено 1329 прорывов воды и обводненных песков, 62 % из них зарегистрировано в подготовительных выработках. Наибольшее число (43 %) прорывов происходило из тульских, алексинских водоносных известняков. В лавах они составляли 327 случаев (57 % всех прорывов из этого горизонта). В 186 случаях прорывы сопровождались выносом песка в лавы. Обычно прорывы из известняков происходят при первых посадках кровли ( 2-8 циклов). Притоки воды чаще всего носят неравномерно убывающий характер, хотя некоторые из них (до 35 %) имеют пульсирующий характер. Г.Н.Шевелев так представляет динамику развития прорыва из тульских (алексинских) известняков в Подмосковном бассейне. В начале в лавах происходит обрушение непосредственной кровли и пластическое прогибание водоупорных глин,

подстилающих известняки. В пространстве, образующемся между водоупорными глинами и подошвой известняка накапливается вода. По мере подвига-ния лав наступает момент, когда стрела прогиба известняков переходит предел их прочности, известняки обрушаются, одновременно происходит нарушение сплошности водоупорных слоев и масса воды бурно устремляется в выработанное пространство лав (в большинстве случаев по трещинам обрезов кровли), размываются пески непосредственной кровли и уносит их в горные выработки. Для этого типа прорывов характерно наличие мощных пластов алексинских или тульских известняков, значительный напор в них воды, относительно небольшое расстояние известняков от кровли угольного пласта, выдержанное залегание водоупорного слоя и спокойная гипсометрия подошвы угольного пласта.

Согласно работам Подмосковного опорного пункта ВНИМИ [16], 87% всех прорывов, сопровождающихся выносом песка, приводят к образованию пустот в толще пород, покрывающих угольный пласт, и воронок на поверхности.

Обобщение прорывов воды с песком в лавах Подмосковного бассейна, возникших в 1960-1963 г. г. сделано В. С. Момчиловым [17]. За этот период зарегистрировано 336 таких случаев. Затраты на их ликвидацию составили 2 млн. руб. Отмечается возрастание числа прорывов в связи с комплексной механизацией добычи угля.

Об интересном явлении сообщается в работе Н. Н. Прокафьева, С.В.Комиссарова [18]. Ими описываются неожиданные прорвы воды с песком из тульских известняков при отработке столбов с обеих сторон граничащих с выработанным пространством. Бурением установлено, что вода скапливалась над отработанными соседними лавами, т. к. сплошность водоупо-ров не нарушалась. При отработке же оставшихся промежуточных столбов деформации глин превышали критические значения, в них возникали трещины, по которым происходили прорывы.

И. А. Чернышев, исследуя условия ведения горных работ под плывунами в Донбассе, приходит к выводу, что очистная выемка под ними не вызывает прорыва в горные выработки при минимальной кратности равной 15тв (где тв - вынимаемая мощность угольного пласта), но не менее 15 м от них.

В.Д. Натаров, Д.И. Бетин [19] отмечают, что методика расчета притоков воды в шахту через зону обрушения отсутствует. Ими предлагается метод расчета для ориентировочной оценки притоков воды из карбонатных пород через зону обрушения в шахту. Исходя из формулы Дарси и учитывая параметры зоны обрушения и высоты этажа в условиях Криворожского бассейна, выводится формула для расчета водопритоков в горные выработки. Коэффициент фильтрации породы в зоне обрушения предлагается определить по формулам H.H. Кацнельсона и М. Н. Никольской [20].

Ю.А. Шамшурин [21] занимался исследованиями проницаемости пород в зоне обрушения в связи с вопросами проветривания рудника. Он исследовал режим движения воздуха через кусковатый материал крупностью от 0,5 до 20 мм. В результате опытов им получена кривая зависимости показателя режима движения воздуха через кусковатый материал, выражающийся формулой:

п = 0,379^/а^+ 0,86 (1.1)

где п - показатель движения воздуха через слой кусковатого материала;

аср - средний диаметр зёрен.

Опытами с кусками материала различной крупности автор подтвердил, что в случае, когда частицы наименьшей фракции полностью перекрывают сечение потока любой трещины, то их диаметр определяет движение воздуха.

В работе [22] приводятся результаты исследований газопроницаемости угольного массива в зоне влияния горных работ. Установлено, что в приза-

и

бойной зоне, где пласт разрушен от горного давления, уголь обладает повышенной газопроницаемостью, а в зоне максимальных напряжений она снижается примерно в 5 раз по сравнению с зоной статического состояния газопроницаемости. Эта зона находится в З-КО м впереди забоя (рис. 1.1).

п □

ИЗ

гз Е и о г си а гт

л: о а_ с;

0 п

а гм

Е

1

ш гз гг гэ

-е-

П

о

0,80,60,40,20 ■

О)

' г и

(\>

си со гз ы и) а г:

г:

о

X

XI

с; о оо т

сО

80

60

40

тс п

£ 20 х

тс а. с: а

1 \ \ р=Нх)

1 Эст=УН

К=Г(Х)

§ 2 4 6 8 10 12 14 16 М х х X х У У х х Ух**' У У х х У х1 х'у'/у'у У Ух^х'х^/'у'у'xVУ>^x;xV'yV^