автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Научные основы управления геофильтрационным состоянием породного массива вокруг горных выработок

н 3'

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ДНЕПРОПЕТРОВСКИЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

САДОВЕНКО Иван Александрович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ ГЕОШЯЬТРАЩОННЫМ СОСТОЯНИЕМ ПОРОДНОГО МАССИВА ВОКРУГ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

05.15.04 - "Шахтное строительство'1

05.15.11 - "Физические процессы

горного производства"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Днепропетровск - 1992

Работа выполнена в Днепропетровском горном институте Научный консультант - докт.техн.наук, профессор'В.И.Бондаренко, Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

А,Ф.Булат;

доктор технических наук, профессор Г.Г.Литвинский;

доктор технических наун, профессор Л.Я.Парчевский

Ведущее предприятие - Институт "УкрНЙИпроект"

Защита состоится г. в /¿^час.

на заседании специализированного совета Д.068.08,03 при Дне-, продетровеком горном институте,

Адрес: 320027, г.Днепропетровск - 27, пр.К.Маркса, 19, горный институт.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " о " 1992 года.

Ученый секретарь специализированного совета,

доктор технических наук,

профессор ^ А.И.Денисенко

¡-у г ~ : Г Г'-ЦМДЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Водопроявления при ведении горных работ относятся к ряду доминирующих факторов,осложняющих строительство и эксплуатацию шахт. .

Себестоимость добычи угля при ухудшении гидрогеологических условий в пределах месторождения или даже шахты СКрь . .армейский район Донбасса, Западный Донбасс, Дьвовско-Волынский бассейн) возрастает в 1,3...2 раза. Резко (в 2,5...6,5 раа) сокращаются темпы проведения капитальных и подготовительных выработок при пересечении водоносных пород слабоматаморфизо ванной толщи, снижается, и без того низкая, комфортность рабочих мест- горняков, существенно (на 40...60%) повышается аварийность работ. Потери запасов угля на площадях, отнесенных к опасным по гидрогеологическим условиям, достигают десяти млн.тонн на одном шахтном поле, водопритоки наносят ощутимый экологический урон подземной гидросфере. Это, в немалой степени, связано с недостаточным уровнем научных знаний о фильтрационных процессах вокруг выработок и критериях безопасного ведения горных работ.

В существующих научно-практических разработках по учету фильтрационных процессов при ведении горных работ выделяется четыре основных направления: гидрогеологическое прогнозирование во-допритоков, оценка зоны формирования водопроводящих трещин с точки зрения безопасности горных работ, прогнозирование и учет гидродинамических процессов и фильтрации газа вокруг выработок, разработка технологических средств борьбы с водопритоками в процессе горных работ.

Несмотря на то, что каждое из направлений достаточно развито, они не имеют единой научной основы, позволяющей рассматривать водопроявление всесторонне и эффективно на него воздействовать, как на результат геофильтрационного состояния породного массива. Последне.е характеризуется одновременным наложением полей напряжений, деформаций, напоров подземных вод и скоростей их фильтрации.

В связи С' этим, сформулирована актуальная научно-прикладная проблема создания научных основ управления геофильтрационным состоянием породного массива вокруг выработок.

Цель диссертационной работы состоит в разработке теоретических и прикладных основ реализации управления геофильтрационным состоянием породного массива вокруг капитальных, подготови-

3-

тельных и очистных выработок для повышения технической и экологической безопасности, а также эффективности горных работ.

Идея работы заключается в совместном рассмотрении нестационарных геомеханических и фильтрационных полей и воздействии на них комплексом мер, позволяющим реализовать принципы управляемости технической системы "выработка - водоносная порода".

Методы исследований. В основу методики исследований положен комплексный подход,включающий аналитические и экспериментально-производственные исследования, лабораторные испытания горных пород, физическое и численное моделирование, вероятностно-статистические методы, применение современных ЭВМ. Аналитические исследования выполнены на основе положений механики горных пород и подземных сооружений, динамики подземных вод, теории численных методов. Лабораторные исследования включали определение свойств горных пород в режиме контролируемого нагружения, физическое моделирование движения водогрунтовых сред на специальных стендах и воспроизведение фильтрационных полей методом электрогидродинамических аналогий. Для натурных измерений привлечены замерные станции, геофизические и гидродинамические измерения в специальных скважинах.

Основные научные положения, защищаемые в диссертации.

1. Величины, режим и размеры зон водопритоков к горным выработкам являются информативным показателем геофильтрационного состояния породного массива: снижение проницаемости допредельно нагруженного породного контура выработки нелинейно относительно сближения краев, трещин, граница водопроводящих трещин в глубине массива горных пород формируется на пределе их прочности, коэффициент проницаемости в зоне запредельного нагружения изменяется пропорционально деформациям, раскрытие трещин расслоения функционально связано с нестационарным поглощением воды через песчаный заполнитель в наблюдательных скважинах. На этих закономерностях обоснованы параметры проведения выработок с оптимально-фильтрующими приконтурным массивом и крепью.

2. Два уровня факторной значимости в геофильтрационном состоянии породного массива отражается в виде последовательной конечно-элементной и конечно-разностной аппроксимаций нестационарных геомеханических и фильтрационных полей, сочленяемых на границах формирования гидродинамической структуры фильтрации в горные выработки. С учетом этого, реализуется принцип управляемости технической системы "горная выработка - водоносная порода".

3. Интенсивность водозащитных функций подрабатываемых гор-

ных пород возрастает нелинейно величинам: эффективного диаметра фракций водосодержащих пород; горизонтальных деформаций слоев, поглощаемых в заполненных песком трещинах; мощности слоев предварительно расслоенных водоупорных пород и кратности их подработки. Это легло в основу разработки комплексного методического подхода к оценке параметров горных работ в экологически щадящем режиме.

4, Дренажно-разгрузочные функции горных выработок оптимальны при сглаженных параметрах нестационарных геофильтрационных полей, что достигается размещением контуров выработок в участках поля с минимальными градиентами напряжений и фильтрационных скоростей. На этой основе разработан и осуществлен комплекс традиционных и специальных технологических схем при проведении выработок.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью постановки и решения задач, применением апробированных фундаментальных соотношений механики горных пород и подземной гидродинамики, а также численных методов математической физики; удовлетворительной сопоставимостью результатов аналитических, лабораторных и натурных исследований; положительными результатами проверки технических решений и рекомендаций в производственных условиях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- установлена последовательность факторной значимости в формировании геофильтрационного состояния породного массива, имеющая два уровня: верхний, в котором доминирует структурно-геологический фактор, определяет общий гидродинамический фон шахтного поля; нижний, с доминированием технологических факторов, определяет условия гйдрогеомеханического взаимодействия водоносных пород и горных выработок;

- установлено, что на процесс водопроводящего трещинообразо-вания в обрушаемом пространстве превалирует влияние свойств породного массива, а над сопряжением подготовительной выработки и лавы - сочетание геологических и технологических факторов;

- установлено, что вокруг шахтного ствола в устойчивых водоносных породах развиваются взаимоконкурирующие тенденции нелинейного уменьшения проницаемости допредельно нагруженного породного контура и взвешивающего разгружения, которое не должно превышать прочности контакта "крепь - порода"; получены аналитические зависимости, описывающие нелинейное сближение краев водопроводящих трещин на породном контуре шахтного ствола и гидродинамическое взвешивающее разгружение фильтрующей бетонной крепи;

- разработан эмпирио-аналитический аппарат для описания зо-

ны во допро водящего разрыхления вокруг горных выработок: прочностная неоднородность пррод и эксплуатационное состояние выработки учитывается литолого-структурным параметром и показателем влияния выемочного штрека, эмпирическая корректировка аналитической расчетной схемы отражает натурно измеренные параметры над движущимся и остановленным забоем; установлено, что опасный временной интервал остановки очистного забоя по фактору развития во-допроводящих трещин в 2...3 раза меньше интервала,определяемого совокупнш влиянием на механизированный комплекс остальных гор- . но-геологических факторов;

- обоснованы теоретические и прикладные принципы синтезирования численных моделей геофильтрационного состояния породного массива, которые состоят з последовательной конечно-элементной аппроксимации нестационарных полей напряжений и деформаций, фильтрационных напоров и скоростей, а также сочленении этих расчетных схем с конечно-разностными моделями на общих краевых границах, отражающих гидродинамическую структуру фильтрации в шахту;

- разработан комплексный методический подход к оценке критерия безопасного ведения горных работ под водоносными тонкозернистыми песками, который включает: приведение к показателю кратности.подработки резерва. защитных свойств горных пород вследствие нелинейности связи размеров проницаемой зоны от вынимаемой мощности пласта и различия в проникающей/способности водопесчаной смеси и воды; повышение надежности критериального показателя за счет учета поглощения деформаций в подошве водоносного горизонта и снижения проницаемости расслоенной толщи горных пород;

- установлено, что дренажно-разгрузочное влияние забоя шахтного ствола наиболее эффективно при последовательной схеме его проходки, а параметры технологии безаварийного поддержания магистральных штреков, при наличии в кровле или почве водоносных пород, необходимо выбирать путем веделения зон гидрогеомеханичес-кой перегрузки породного массива по литологическим контактам; определены размеры зон, в которых деформирование выработки предотвращается дифференцированно: гидравлической разгрузкой массива . через скважины, увеличением сопротивления крепи или дренажем пород, млегащих ближе одного радиуса выработки; разработана технология ликвидации очагов сосредоточенного прорыва воды в штреки;

- установлен механизм геофильтрационного разубоживания неоднородных глыбово-песчаноглинистых обводненных зон. в окрестности капитальных выработок-при котором осадка инженерного соору-

жения над тоннелем, проводимым на глубине до 50 м, превышает допустимые величины; разработана технология проходки выработок в этих зонах с элементами опережающего геофильтрационного мониторинга породного массива, включающая дренажную разгрузку слабой зоны и последующий подпор между крепью и сводом породного контура;

- обоснованы параметры формирования геофильтрационного барьера вблизи пластового штрека, а также технологические параметры управления геофильтрационнш состоянием породного массива с его гидроразрывом и комплексированием дренажа и закладочных полос для охраны выработок»

Практическое значение работы заключается:

- в разработке методик расчета: размеров и проницаемости зон водопроводящего трещинного разрыхления вокруг выработок; параметров нагружения фильтрующей крепи гидродинамическими силами; оптимального использования дренажно-разгрузочных функций горных выработок в сложных гидрогеологических условиях;

- в обосновании комплексного методического подхода к оценке критерия безопасного ведения горных работ под несвязными водоносными породами с обеспечением снижения техногенной нагрузки на подземную гидросферу;

- в разработке параметров способов и технологий, обеспечивающих эксплуатационную устойчивость выработок и эффективность их проведения, а также комплексирование природоохранных и горнотехнических задач разработки обводненных месторождений угля.

Реализация .результатов исследования.

Результаты, выполненных исследований имеют методическое применение на уровне отраслевого нормативного документа, рекомендаций к отдельным проектам и программам горных работ, реализованных в проектном институте и на шахтах.

Количественные критерии и методика прогноза геотехнических процессов под влиянием дестабилизирующих факторов, влекущих технологические перерывы в ведении горных работ, использованы в "Методике определения аварийной и технологической брони электроснабжения предприятий угольной промышленности" (утверждена Минугле-промом СССР 12.11.1987 г., введена в действие с 01.01.1990 г.). Разработки отдельных этапов теоретических и экспериментально-производственных исследований вошли в состав "Рекомендаций по применению и методике" расчета параметров горно-технических мер для снижения влияния водопроявлений в лавах шахт Западного Дон-

басса" (утверждены в ПО "Павлоградуголь" и согласованы в институте Днепрогипрошахт). Методика расчета параметров фильтрующей крепи шахтных стволов в условиях гидродинамического нагружения использована в проектах Днепрогипрошахта (шахты "Украина", "Россия", "Белозерская", гидрорудник "Пионер"). Рекомендации по комплексному управлению геофильтрацией применены в специальных проектах по отработке шести лав блока № 2 шахты "Самарская" ПО "Павлоградуголь". Методика расчета и рекомендации по применению дренаж-но-разгрузочных функций горных выработок на сближенных обводненных пластах в условиях шахты "Юбилейная" ПО "Павлоградуголь" реализованы при осуществлении программ горных работ в период 19861992 гг. На научно обоснованных заключениях о резерве водозащитных свойств горных пород реализованы параметры отработки в трех лавах пласта Сд шахты "Терновская" ПО "Павлоградуголь" (1988 -1991 гг.). Рекомендации по раскройке и оценке безопасности горных работ по шахтному полю вблизи действующего водозабора положены в основу программы работ шахты № 8 "Нововолынская" ПО "Укр-западуголь". Реальный экономический эффект от внедрения разработок превышает 1,0 млн.руб. (в ценах до 02.01.92 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции "Геомеханические проблемы высокопроизводительной разработки тонких и средней мощности угольных пластов на глубоких горизонтах" (Донецк, 1980), на П-й конференции молодых ученых ИПМ АН УССР (г.Днепропетровск, 1981), на "Республиканском семинаре-совещании по предотвращению истощения подземных вод в Западном Донбассе и проблеме использования шахтных вод" (г.Днепропетровск, 1992), Всесоюзной научно-технической конференции "Исследование, прогноз и контроль проявления горного давления" (г.Ленинград, 1982), на Ш-й конференции молодых ученых и специалистов Днепропетровской области. "Высокоэффективные технологии и средства автоматизации и механизации добычи и переработки полезных ископаемых" (г.Днепропетровск, 1983), на Всесоюзном совещании по креплению и поддержанию торных выработок (г.Павлоград, 1983), на Всесоюзном совещании "Минерально-сырьевые ресурсы и комплексное их освоение (Мельниковские чтения)" (г.Сарапул, 1989), на 1У-й областной научно-практической конференции "Комплексное и рациональное освоение железорудных месторождений и охрана природы" (Губкин, 1990), на региональной научно-технической конференции "Проблемы рационального использования и охраны водных ресурсов

-бассейна нижнего Днепра" (Днепропетровск, 1990), на Всесоюзной конференции "Совершенствование технологии горного производства для снижения негативного влияния на окружающую природную среду" (Кривой Рог, 1991), на XI международной конференции по автоматизации в горном деле (Екатеринбург, 1992).

Публикации. Основные положения диссертации освещены в 50 печатных работах (в том числе 10 авторских свидетельств)

Объем и структура работы. Диссертация состоит из шести глав, заключения, списка литературы из 295 ка:,р/ .¿гний и приложений. Содержит 288 страниц машинописного текста, 122 рисунка и 21 таблиц/.

Автор глубоко признателен сотрудникам кафедры гидрогеологии и инженерной геологии ДГИ, ИГТМ АН Украины, Днепрогипрошахта, ПО "Павлоградуголь", Павлоградской ГРЭ за помощь и сотрудничество в проведении исследований и внедрении их результатов.

Автор искренне благодарен научному консультанту академику АИН Украины, доктору технических наук, профессору Бондаренко В.И. за методическую помощь и научные консультации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В теоретические и прикладные разработки, касающиеся различных аспектов проблемы прогнозирования и снижения негативного влияния водопроявлений на горные работы, существенный вклад внесли С.К.Абрамов, В.Д.Бабушкин, В.И.Бондаренко, Е.В.Бошенятов, И.И.Вах-рамеев, М.С.Газизов, Б.Я.Гвирцман, Ю.П.лелтов, Н.А.Кассирова, Э.Я.Кипко, А.М.Козел,, С.В.Комиссаров, И.Г.Лисица, Г.М.Ломизе, О.Ю.Лушникова, А.П.Максимов, В.А.Мироненко, В.С.Момчилов, А.Г.Оловянный, Ю.А.Норватов, Н.И.Плотников, Ю.А.Полозов, В.Г.Румынии, А.Н.Рюмин, А.Г.Скворцов, И.А.Скабалланович, Ю.Н.Спичак, Ф.П.Стрель-ский, Н.Г.Трупак, И.В.Хохлов и др.

Известны два основных метода прогнозирования водопритоков в выработки - гидродинамический и метод аналогий. В первом случае, горная выработка (или сеть выработок) рассматриваются дренажной полостью. При схематизации фильтрационного поля задачи сводятся к решению дифференциальных уравнений гидродинамики с применением, известных в математической физике, преобразований. Одновременный учет фильтрационной неоднородности, нестационарности, реальной геометрии стоковых границ и их изменения, по мере ведения горных работ, выдвигают непреодолимые математические трудности. Использование численных методов перспективно, но сдерживается дефицитом

информации о динамике проницаемости вокруг выработок.

Метод аналогий основан на качественном или количественном (например, с применением статистических мер сходства) установлении горно-геологической идентичности проектируемой и существующей шахты или горизонта, что крайне ограничивает его применение. Более строгим теоретическим развитием эмпирического прогноза является установление функций перетока в'зону ведения горных работ, что удобно при решнии природоохранных вопросов.

Гидрогеомеханические подходы к решению задач взаимодействия горных выработок и водоносных пород известны на уровне теоретических рекомендаций по применению дифференциальных уравнений. Решения в явном виде ограничиваются случаями иллюстративного характера.

В большинстве исследований фильтрационной газопроницаемости, пород и газодинамических явлений в шахтах и рудниках используется линейный закон фильтрации и метод последовательной смены стационарных состояний, учитывается изменение проницаемости по соотношению компонентов поля напряжений в допредельной стадии. Применение решений для среды "горная порода - вода" вырождает их в известные формулы гидродинамики для простых идеализированных схем.

Контурами натурно установленных зон водопроводящих трещин ограничивается приближение горных работ к водоносньы породам рыхлого сложения. Без детального рассмотрения гидрогеомеханики это ведет к значительным потерям отрабатываемых пластов.

Пространственная параметризация геометрии й размеров трещин в водоносных породах обстоятельно обоснована в комплексном методе предварительного тампонажа водоносных пород. Кроме учета свойств тампонажньк растворов и массива пород, технология тампонирования обогащена разработками по гидрорасчленению трещин в водоносной породе и обжатию зон тектонического дробления. Развиты также технология, и средства специальных способов предварительного закрепления водоносных пород с плывунными свойствами (замораживание, силикатизация, парафинизация и т.п.). Эти способы, а также дренажное осушение пород, весьма надежны, но материалоемкие, требуют значительных трудозатрат. Их применение не учитывает-особенностей геомеханического влияния выработок на водоносные.породы.

Таким образом, не существует единого научного подхода к системе "водоносная порода - горная выработка" с позиций' ее управляемости при одновременном рассмотрении нестационарных геомеханических и фильтрационных полей, определяющих геофильтрационное состояние породного массива.

Учитывая изложенное, соответственно поставленной цели, в работе сформулированы задачи исследований.

1. Исследовать особенности и параметры геофильтрационного состояния породного массива вокруг выработок с учетом значимости структурно-геологических и технологических факторов.

2. Выполнить параметрический анализ геофильтрационного состояния породного массива на основе постановки и решения актуальных гидрогеомеханических задач.

3. Адаптировать численные модели геомеханики и "тгптрации, на основе принципа управляемости технических систем. решения прикладных задач управления геофильтрационным состо.::нкем породного массива вокруг горных выработок.

4. Разработать и реализовать комплексный гидрогеомеханический подход к оценке критериев безопасного и экологически щадящего ведения горных работ под несвязными водоносными породами.

5. Создать научно-технические принципы управления геофильтрационным состоянием породного массива и реализовать их разработкой параметров способов и технологий повышения устойчивости выработок и эффективности горных работ в комплексе с природоохранными мерами.

Факторный анализ геофильтрационного состояния породного массива выполнен с привлечением статистических методов, тренданали-за, корреляционного анализа. Обработка сведений о водопритоках, проницаемости горных пород и техническом состоянии выработок (Красноармейский район, Западный Донбасс) указывает на существование двух уровней факторной значимости в формировании геофильтрационного состояния пород. На верхнем уровне доминируют структурно-геологические факторы - тектоническое строение шахтного поля, региональные параметры трещиноватости и инженерно-геологические особенности пород. Они определяют общий гидродинамический фон шахтных полей, изменяя величину перетока из водоносных комплексов в диапазоне 5...40$. Региональная приуроченность шахтного поля влияет на величину и продолжительность водопроявлений при сохранении пропорции в распределении водопритоков в очистные, подготовительные выработки и шахтные стволы.

На нижнем факторном уровне более значимо проявляются технологические особенности взаимодействия в системе "водоносная порода - горная выработка": зоны гидравлической и геомеханической разгрузки совпадают; участки повышенных водопритоков тяготеют к разгруженным зонам вблизи целиков; равновероятное появление осложне-

ний в лавах с вывалами и зажатием секций крепи совпадает при мощности водоупорных пород гравитационный вес которых, сопоставим с отпором крепи; проницаемость пород в зоне возмущения горных выработок устойчиво реагирует на сопротивление крепи и сечение выработок; аналогичные параметры предопределяют гидрогеомеханичес-' кую перегрузку породного контура и выплывы водогрунтовых смесей. Из этого следует важный вывод об управляемости геофильтрационным состоянием породного массива с применением традиционных горнотехнических мер и специальных технологий.

Необходимым условием научно-обоснованного подхода к решению прикладных задач эффективного и безопасного ведения горных работ в сложных гидрогеологических условиях является параметрический анализ геофильтрационного состояния породного массива в окрестности выработок. Для этого проведены аналитические, эмпириоанали-тические исследования и физическое моделирование.

Допредельно нагруженный контур устойчивых водоносных пород ' исследовался на основе сопоставления измеренной проницаемости пластоиспытателями в скважинах и раскрытости фильтрующих трещин на контуре выработок. С учетом допущения о приближении нагруже-ния к одйоосному сжатию, получена формула, описывающая сближение ' краев трещин в песчаниках различных районов Донбасса

«г1-^о{1-2|(к-Ь.)/ГуЕя + 2|(Ь,-Ь.)]}, (I)

где , $"т0 - раскрытие трещин на глубине Ь; и Ь0 ; у и

Еп - объемный вес и модуль деформации пород; Ф - экспериментальный параметр (0,0003). '

Эффект снижения проницаемости более выражен при последовательной схеме проходки шахтного ствола через устойчивые водоносные породы Спроницаемость уменьшается в 2...3 раза) и может нивелироваться за счет слабой приемистости пород к тампонажной смеси, так как параметр ( ^ ) увеличивается при частичном заполнении трещины.

Гидродинамическое нагружение крепи шахтных стволов и влияние границы между рыхлыми водоносными породами и породами с жесткими связями (например, контакт "карбон - мезокайнозой") исследовалось на физических моделях. Предварительно выполнен анализ критериев подобия, контролирующих нагружение и двухфазное движение среды "жидкость - твердое" вплоть до течения пульпы. Коэффициенты геомеханического и фильтрационного подобия'вытекают из сопоставления

закона динамического подобия и линейного закона фильтрации. Движение двухфазной среды определяют числа Рейнольдса, Фруда, Эйлера, соотношения плотностей твердой и жидкой фаз/" Анализ показывает, что одновременное удовлетворение коэффициентов подобия невозможно. Поэтому, в исследованиях принят принцип относительных оценок по линейно изменяющимся параметрам и параметрам обеспечивающим автомодельность процесса (число Рейнольдса, при отсутствии дифференциации твердого, угол внутреннего трения, гидравлический градиент, градиент плотности).

Установлено, что осесимметричное возмущение фильтрационного потока к пахтному стволу компенсируется его растеканием в бетонной крепи - это учитывает формула для расчета величины закрепно-го напора

Нк = КфНе/[Кф+Ккгс1п(Рь/гсКгс-г0)], (2)

где Не - напор в водоносной породе до проведения ствола; Рь - радиус гидравлической депрессии; Г„ и Гс - радиус ствола в свету и вчерне; К^ и Кк - коэффициенты фильтрации пород и крепи.

Эффект взвешивающего радиального разгрудения крепи,после восстановления закрепного напора в устойчивых породах.исследовался решением крае во1;, осессимметричной задачи для уравнении неразрывности деформаций, геомеханического и фильтрационного равновесия. При максимальном снижении эффективных напряжений на границе гидравлической депрессии, а также из сравнения перемещений бетонного кольца и породного контура, получено выражение, которое упрощено с учетом значимости влияющих параметров, и определяет радиальное разгружение крепи в виде

р аЬНл/10ЛИ_ 2и г мг^л^.т]}'1 ,3)

Р> Еп 11л(Р/гс)+ ^2ГЧЁШН Т1} ' (3)

где, кроме упоминавшихся обозначений, - удельный вес воды; Ек - модуль деформации фильтрующей крепи; Ор - коэффициент равный единице и имеющий размерность длины в степени (-1). В диапазоне параметров, характерном для Красноармейского района и Западного Донбасса, величина Рр изменяется в пределах 0,054- Ю5 ... 6,12 • Ю5 Па.

Взаимоконкурирующие тенденции нелинейного уменьшения проницаемости породного контура и гидродинамического взвешивания со-' поставимьг с известными фактами эксплуатации бетонной крепи в устойчивых водоносных породах при ее толщине меньше нормативной, а также отражают данные контрольно-стволового опробования на действующих промплощадках, где фиксируется восстановление закрепных напоров. Возведение нецроницаемой крепи может разрушить контакт "крепь порода" (подтверждается практикой).

Модельные исследования поведения контакта несвязных водона-сыщенных пород и пород с жесткими связями показывают, что в зоне возмущения выработки формируется граница с быстрым гидростатическим распределением напряжений и равномерными деформациями, а в сечении выработки происходит самоторможение конуса выплыва.

Нестационарное положение контура водопроводящих трещин на сопряжении подготовительной и очистной выработки исследовано с помощью специальных гидрогеологических измерений, эмпириоаналити-ческой оценки величин водопритоков и размеров контуров растекания в выработках. Величина водопритока и интенсивность трещиноватости пород в кробле выработки отражают степень трещинного разрыхления водоупорного аргиллито-алевролитового междупластья на контакте с водоносным слоем

где 0 - измеренный водоприток; Г^ в - вязкость воды; Г - площадь фильтрующего обнажения пород; 1_ - длина пути фильтрации между подошвой водоносной породы и контуром кровли; йР - перепад давления на пути фильтрации и ; А - суммарная длина трещин.

Формула (4) справедлива для насыщенного потока, контролируемого по наличию избыточного притока за посадочным рядом крепи. Величины трещинной пористости для условий Западного Донбасса составляют 0,0012...0,0052 и совпадают с разрыхлением пород в условиях жесткого плоскодеформированного нагружения образцов на пределе прочности (испытания проведены по методике ИГТМ АН Украины). Весьма близки эти результаты к натурным данным о развитии зон запредельных деформаций вокруг выработок для Красноармейского района (И.Л.Черняк, 1980).

Нестационарность положения контура проницаемой зоны обусловливает появление опасных временных интервалов в остановках очистной выемки. Из анализа геотехнических процессов в остановленном

забое.при отсутствии водоносных пород, прослеживается закономер-: ность, при которой совокупное влияние строения кровли, параметров крепи и динамики сдвижения пород формирует отмеченный временной интервал в 2...3 раза превышающим аналогичный интервал, обус-лозленный скоростью развития водопроводящих трещин между выработкой' и водоносной породой. Однако, на зтот процесс можно влиять расположением почвы подготовительной выработки вблк ■ ч более жесткого слоя или удлинением боковых стоек крепи.

Контур проницаемости в породах кровли от подг* :ьительного штрека по экспоненте приближается к зоне проницаемости над лавой. Это обстоятельство связывает их исследование в единую задачу. Она решалась эмпириоаналитическим методом из рассмотрения условий равновесия и непрерывности деформаций в породном клине над забоем. Решение общего вида, полученное через функцию напряжений.(К.В.Ру-ппенейт, 1957), адаптировано к описанию проницаемой зоны для раз-упрочнягацейся кровли, ограниченной верхним контуром с гидростатической границей и нижним контуром поверхности кровли в движущемся забое. При условии отсутствия ускорений в смещениях кровли (d2U/dt2) = 0 , а также с учетом параметров линейно-наслед'ственной интерпретации экспериментально измеренных деформаций в.скважинах, описан трансцендентными выражениями радиус условно-мгновенного и нестационарного положения проницаемой зоны. Анализ решения в безразмерных соотношениях мощностей покровных отложений, водоупорных пород, зоны разрыхления показывает сопоставимость влияния на размеры проницаемой зоны сопротивления крепи в диапазоне 0,35...0,75 МПа, скорости подвигания забоя в пределах I... 3 м/сут, приближения к гидростатической границе на 25...30%,

В слоистом породном массиве развитие вертикальной проницаемости при подработке может трактоваться искаженно из-за влияния трещин расслоения. При наличии несвязных водовмещающих пород, контактирующих с трещиной расслоения, актуален вопрос ее взаимодействия с гидростатической границей. В условиях специального эксперимента измерялось поглощение воды в скважине при ее фильтрации через столб песка. Информативность замеров повышается, если установить характер* функциональной' связи между нестационарным поглощением воды и раскрытостью трещин. Решение получено из рассмотрения одномерного уравнения Фурье при функциональнЬ заданных напорах на верхнем и нижнем контуре песчаного столба. В общем виде в математической физике его находят .с применением метода Фурье. В рассматриваемом варианте, это представляется двумя соотношениями, удовлетворяющими периоду Сработки упругих запасов

(фаза запаздывания) и фазе, фиксируемого измерениями, снижения воды. Явный ввд функции для первой фазы получен в виде

Ьз=НгУ1/(ГУ1 + 2КфЬ1:3). (5)

где Н - первоначальный напор; 1 - высота песчаного столба; Г - радиус скважины, Ь - раскрытие трещины; Тз - время запаздывания; Ц* и Кф - упругоемкость и коэффициент фильтрации песка. Функцию напора на верхнем контуре удобнее всего леанизовать по измеренным данным. Численная реализация решения осуществляется на ЭВМ методом последовательных приближений. В условиях Западного Донбасса раскрытость трещин расслоения изменяется от 2 до 19 мм для кратности подработки 8...9.

Приведенная информация об исследовании основных параметров геофильтрационного состояния породного массива позволяет отнести систему "водоносная порода - выработка" к многофакторной и слож-ноорганизованной. Исходя из общности процесса управления технических систем и горного массива (В.В.Виноградов), рассмотрены функционалы минимизирующие процесс управления и численную постановку решения гидрогеомеханических задач. Их математическое сходство удовлетворяет условию оптимальности поиска технологических параметров управления геофильтрационным состоянием. Однако, формализация фазовых переходов породного массива должна быть контролируемой, так как накопление необратимой проницаемости создает опасные фильтрационные зоны. Параметры управления будут выбраны наилучшим образом, если эти зоны не появятся или сместятся в безопасные области.

Это достигнуто синтезом геомеханических и фильтрационных моделей, алгоритмизованных на основе принципа геомеханического последействия. Его реализация предполагает последовательное конечно-элементное сопряжение профильных моделей. Этим учитывается преобладание нейтральных гидростатических напряжений в допредельном состояниии водоупорных пород и слабом (до 1% по объему) влиянии фильтрационного поля на девиаторное поле эффективных напряжений, формирующих новую проницаемость массива.

При использовании линейных полиномов и метода полудискретизации по пространству геомеханическое и фильтрационное поля отражаются матричными приближениями

hff.a.t) < hitt)W,(rM]+0.5t[M){h,w} =(СМ]-0.5ПК]){ЬЛ} f (?)

где S - площадь элемента; f - узловая сила; h - напор в узле; 6 - напряжение; G - деформационная константа, Т - временной шаг; П - временной слой; [В] , [М] , СМ - матрицы: производных перемещений U, масс, жесткости;^(х,у) - базисные функции.

Нестационарность reoмеханического поля и изменение проницаемости массива учитывается в поэлементной цепочке расчетов: длительная прочность контролируется параметрами ползучести (ядро Ю.Н.Работнова в апроксимации М.И.Розовского); остаточная прочность не превышает 10% от начальной; модуль спада изменяется во врзмени по степенной эмпирической зависимости; плоско-параллельный перенос кусочно-линейной огибающей осуществляется методом начальных напряжений с контролем соотношения между главными напряжениями и деформациями на запредельной ветви деформирования в виде

£,"<£j<6?. б, - б.'+Кб,"-

Контактное расслоение учитывается модификацией матрицы жесткости, а формирование проницаемости элементов ( , К у ) при начальном ( Кн ) по алгоритму

[(±£xW±du)]>0, КХ-К9=К„; ш+£у]<0. K.-K.bK^MfeiOl"

[¿х+еб„И<о, ка-Км.Кх=Кн+1Ш1; [«кии. к,«кя«к„+1Му)1.

В изложенном варианте реализуется модель упруго-вязкоплас-тического деформирования с внутренним трением и нестационарным разупрочнением. В общепринятом подходе, численные решения сопоставлены с аналитическими (В.П.Чередниченко), натурными и экспериментальными данными. В диапазоне времени 100„„.2000 ч результаты аналитического и численного расчета смещений контуров выработки и размеров запредельных зон отличаются на 5...26%. Плоскодефор-мированное состояние образца совпадает с лабораторным (методика ИГТМ АН Украины): в режиме релаксации с отклонением I...23%, в режиме ползучести - 2...27%. Оседания скважин-реперов на контакте "карбон-водоносный песок" (шахта "Терновская" ПО "Павлоград-уголь") отличаются от расчетных менее 10% на расстоянии от линии забоя до Ю м. Смещения посадочного ряда крепи при подработке штрека на шахте "Юбилейная" ПО "Павлоградуголь" соотносятся с расчетными в диапазонах 300...440 мм и 400...440 мм. Кроме этого, в деформациях пород вокруг штрека с пучащей слоистой почвой,

(9)

модельно воспроизводятся скачкообразные переходы совпадающие с расслоением почвы (энергетическое и механическое толкование дано А.Н.Шашенко).

Важный этап синтеза численных моделей состоял в исследовании явного вида связи деформаций и проницаемости в соотношениях (9). Для этого применено имитационное моделирование методом электрогидродинамических аналогий и измерение параметров трещин плоско-деформированных образцов. Суперпозированные профильные модели воспроизводили деформирование маесива,под обводненным штреком при его подработка По минимальным деформациях растяжения задавались начальные коэффициенты фильтрации в модельных блоках. Параметры моделирования: масштаб напоров = I м/в; коэффициент сопро- ■ тивлений о^ф = 5*10"^ сут/кг. Ом; начальные значения электрических сопротивлений 4,24... 662,1 кОм. Корректировками было получено совпадение модельных и измеренных притоков и размеров контура растекания. Аналогично воспроизведено поле проницаемости подработанного массива из эквивалентных материалов (БНИМИ). Установленный диапазон изменения коэффициентов фильтрации составил 0,006... 0,192 м/сут для аргиллито-алевролитовых пород при линейной зависимости между деформациями и проницаемостью.

Более широкий интервал изменения проницаемости исследован по параметрам трещин на запредельно деформированных образцах (испытаны в ИГТМ АН Украины). Параметры измерялись с помощью бинокулярного микроскопа по методике Г.М.Ломизе с корректировкой клино-видности трещин в натурных условиях. Линейная зависимость между проницаемостью и деформациями характеризуется для различных лито-типов пород коэффициентами корреляции 0,835...0,935. Диапазон измеренных коэффициентов фильтрации 0,015...2,99 м/сут.

При постановке прикладных задач часто возникает необходимость проверки сходимости профильных решений по единичному притоку, который не поддается измерению (например по оси выемочного столба). В этом случае профильные конечно-элементные модели сопрягаются с плановыми конечно-разностными на общих краевых границах, отражающих гидродинамическую структуру фильтрации в шахту. Так, над выемочным полем плановый поток моделируется двумя вложенными прямоугольными контурами, совпадающими с углами сдвижения и обрушения. По внутреннему контуру задаются стоки. Водопрово-димость между контурами варьируется имитацией до получения суммарного расхода, равного измеренному в выемочном поле.

Задача разработки и реализации комплексного гидрогеомехани-

ческого подхода к оценке критериев для выделения границ безопасного ведения горных работ под рыхлыми (несвязными) водоносными породами решена с применением синтезных моделей, аналитических ' расчетов и масштабного натурного эксперимента.

В слоистом аргиллито-алевролитовом массиве стрс>';;;-;сь поля осевых напряжений и деформаций, выделялись зоны с ра~. ■ ■ :.ами элементов, сдвигами и разрывом межслоевых контактов по<" .• различных фаз подработки. Параметрами контролирующими сходимость модельных расчетов являлись: абсолютные перемещения подошвы водоносного горизонта по скважинам-реперам, величина фактической выемочной мощности угольного пласта в сопоставлении с абсолютным перемещением узлов непосредственной кровли; смещения кровли в точках,моделирующих отпор крепи. Наиболее информативным количественным показателем формирования нормально секущих трещин является запредельная деформация по горизонтальной координате.

Установлено, что зависимости между натурно и модельно измеренными параметрами проницаемости и кратностью подработки (в направлении вектора максимальных деформаций), приведенные к одинаког вой кратности, образуют семейство конгруентных кривых. Это позволяет экстраполировать известный уровень проницаемости на неисследованный диапазон кратности. Для условий пласта Сд в Западном Донбассе обнаруживается резерв дополнительной безопасной кратности подработки бучакского водоносного горизонта до 5,8 при увеличении выемочной мощности от I до 2 м. При модельных исследованиях породного массива, расслоенного предварительной подработкой, отчетливо прослеживается сглаживание горизонтальных напряжений и деформаций. Снижение вертикальной проницаемости достигает 40% в слоях подработанных кратно 10...16 выемочным мощностям. Заметное влияние ширины выемочного столба на критические уровни послойных деформаций сказывается при длине лавы менее 75...77 м. При моделировании вывалов на сопряжении подготовительного штрека и лавы фиксируется •перемещение разрыхленной зоны к штреку, которое стабилизируется дополнительным его креплением и участка лавы, противоположного вывалу. Эта мера формирует сжатие сводовой зоны и уменьшение проницаемости пород в куполе вывала.

Положительный гравитационный эффект при отработке пласта по падению проявляется в снижении проницаемости пород на 8-10% (по отношению к отработке по восстанию), однако его использование возможно при отсутствии обводненных устойчивых прослоев в кровле.

Наличие повышенных защитных свойств породного массива установлено при анализе геофильтрационного состояния слоя на контакте с несвязными водоносными породами. Раскрытая трещина, заполненная песком, поглощает горизонтальные деформации слоя при ее переходе в зону сжатия. Величина несмыкания жесткой клинообразной трещины с контактным трением равна

Ьн =(21 п/Рг )[(С -Со52<р+$Ш(? (Рга+С8)*],

где 1п - толщина слоя; Рг - горизонтальное давление, смыкащее трещину; С и (ф - удельное сцепление и угол внутреннего трения по контакту с песком. Наиболее вероятное соотношение РГ»С, что при интервале трещин равном шагу осадок кровли (20...25 м) дает величину поглощаемых деформаций 20...30% (для условий упомянутого пласта Сд).

В этих же условиях дополнительный резерв в кратностях допустимой подработки прослежен анализом эффекта образования обратных фильтровых зон, который контролируется величиной эффективного диаметра фракций водоносных пород. Для бучакских песков, при объеме статистической выборки по 246 пробам и уровне доверительной вероятности 0,95, установлено нелинейное уменьшение кратности безопасной подработки массива^авное 3,0 в интервале раскры-тости трещин от, предела прочности до гарантированного сохранения обратной фильтровой зоны.

• Проведённые модельные и аналитические исследования подтверждены масштабным натурным экспериментом в ходе которого измерялось поглощение воды в скважинах через слой песка в процессе подработки. Двухметровые интервалы скважин, разноудаленных от вынимаемого пласта, воспроизводили геофильтрационное состояние контакта карбон-бучакский песок.

Задача создания научно-технических принципов управления геофильтрационным состоянием породного массива и их реализация разработкой параметров способов и технологий повышения устойчивости выработок и эффективности горных работ решалась для различных горно-технических ситуаций. С привлечением выполненных теоретических обоснований,. разработанного аппарата численных моделей, постановки необходимого объема натурных и лабораторных экспериментов и физического моделирования,обоснованы параметры применения традиционных горно-технических мер и специальных технологий.

Детализованы параметры гидрогеомеханических процессов в окрестности шахтного ствола. Исследованы фазы приближения забоя к

устойчивая водоносным породил, их вскрытие, пересечение и заглубление в водоупорную почву. До вскрытия водоносных пород, в них формируется осесимметричная гидравлическая репрессия. Интенсивность ее нарастания и контуры развития зависят от темпов углуб-ки ствола, деформационных и фильтрационных свойств водовмещаю-щих пород» При коэффициенте фильтрации 5 м/сут гидравлическое возмущение не появляется даже при скорости проходки 100 м/мес. Однако, в водоносном слое с коэффициентом фильтраци;: ГО-3 м/сут, появляется избыточный напор в зоне трех радиусов ствола. Размеры зоны увеличиваются, если темпы проходки превжш. м/мес. В более деформируемом водоносном слое (слабый песчаник) эти процессы проявляются контрастнее.

Наибольшие напорные и скоростные градиенты фильтрации фиксируются в начале вскрытия водоносных пород. Это является результатом геомеханического последействия зон концентрации напряжений между забоем и крепью. По мере углубки забоя и отставания крепи, поле напряжений сглаживается, а фильтрационные скорости выравниваются. Крепь испытывает различные гидродинамические нагрузки в зависимости от условий ее возведения. Совмещенная схема проходки ствола, с отставанием крепи от забоя в пределах одного его радиуса, несмотря на наличие повышенных фильтрационных сопротивлений в сближенных зонах концентрации напряжений, имеет более негативную гидрогеомеханическую картину по отношению к последовательной схеме. Это проявляется в том, что крепь в стадии набора прочности подвержена интенсивному фильтрационному воздействию за счет больших скоростных градиентов. В реальных условиях,'© кой процесс сопровождается вымывом тонкодисперсных фракций и прочностным истощением бетона. При сохранении исходной проницаемости крепи за счет дренажной защиты она подвергается в дальнейшем повышенной на 0,1...0,2 Ша гидростатической нагрузке в фазе полного перекрытия водоносной породы.

Снижение проницаемости крепи (за счет ее обжатия) приводит к увеличению закрепного напора. Причем, если крепь возведена с отставанием от забоя на 2...3 радиуса ствола, то этот эффект не проявляется, то есть при последовательной схеме проходки и крепления в водоносных породах создается более благоприятный гидродинамический режим эксплуатации ствола. Кроме того, в период возведения крепи, сглаживаются скоростные фильтрационные градиенты за счет увеличения стоковой поверхности между забоем и крепью.

Исследованный механизм учитывает способ проходки с возведением грузонесущей крепи после пересечения водоносных пород и заглубления забоя ствола в водоупорные породы. Временная ограждающая крепь, например, из сетки и анкеров,, служит при атом дополнительным армирующим элементом. На практике конкурирующим ему вариантом, обычно, рассматривается возведение дорогостоящей тюбинговой крепи. _ '

Осложнения при проходке и эксплуатации магистральных штреков для отработки угольных пластов в сложных гидрогеологических условиях имеют ряд особенностей', позволяющих дифференцировать их по характеру протекающих процессов и средствам технологического улучшения состояния выработок на основе управления геофильтрационным состоянием породного массива. В данном аспекте можно выделить гидрогеомеханическое нарушение почвы или кровли штрека, гидрогео-механический прорыв кровли штрека-с аномально высоким водоприто-ком.

Фактические сведения о нарушении проницаемости водоупорных слоев в почве магистральных штреков регистрируются, как правило, " при появлении значительных (более 15 м3/ч) водопритоков осложняющих дальнейшую проходку и поддержание выработок. В наибольшей мере это характерно для Западного и Красноармейского района Донбасса из-за слабой прочности и размокаемости пород. При исследо- . вании геофильтрационного состояния породного массива вокруг выработок на синтезных численных и физических моделях, а также с учетом натурных данных, установлено, что расчет прорыва воды по известной формуле, учитывающей сдвиг водоупорной призмы, дает в 2...3 раза заниженное значение водоупорной устойчивости почвы штрека. Это связано с тем, что напор имеет подчиненное значение в фазе формирования нарушенной проницаемости и определяет фильтрацию, как результат геомеханического последействия. При отслоении водоупора от водоносных пород вследствие пучения, проницаемость почвы быстро возрастает в 2,5...3 раза. Для указанных районов, сохранение водоупорных свойств почвы мощностью более 5,0 м обеспечивается сопротивлением крепи до 8,0 т/u . Получены зависимости между требуемым сопротивлением крепи, мощностью водоупорного слоя и напором для расслаиваемой и нерасслаиваемой почвы.

При гидрогеомеханическом нарушении кровли штреков отмечается быстрое (в течение нескольких часов), относительно равномерное опускание сводовой части выработок, которое компенсируется податливостью замковых соединений и погружением ножек крепи в

почву. После начала водовццеления из кровли процесс деформирования затухает. Однако, в последующем при подрывке почвы,вновь возобновляется. В ряде случаев, начальные опускания сводовой части выработки приводят к ее завалу с обильным водопритоком. Анализ численных решений показывает, что быстрое протекание геомеханических процессов связано с гидростатической перегрузкой выработки в плоскости, совпадающей с почвой водоносного слоя или водопро водящей трещиной. Начальный напор 40...60 м в плоскости, расположенной в пределах радиуса штрека, превышает радиальные напряжения, которые формируются в обезвоженном массиве пород. Скачек эффективных напряжений на величину гидростатического напора связан с отслоением почвы водовмещающих пород. Это вызывает резкое опускание свода выработки и последующую стабилизацию после дренажной разгрузки водоносного слоя через разупрочняицие-ся водоупорные породы.

Во всех случаях, профилактической мерой предупреждения гид-рогеомеханического нарушения пород в кровле выработок, могут служить восстающие разгрузочные скважины до пересечения с подошвой водоносных пород.

Дренажное поддержание разгрузки не эффективно при наличии хорошо проницаемых пород в зоне их близкого контакта с покровными водообильными отложениями. Поэтому, гидрогеомеханическая разгрузка через скважины может вестись до тампонажа эакрепного пространства, сочетаемого с численным выбором параметров крепи, обеспечивающим сохранность кровли (например для Западного Донбасса это реально при удалении водопроводящих контактов на 3 радиуса штрека). Вариант гашения гидравлических нагрузок на ограждакщую перемычку очага водопритока обеспечивается при заполнении тупика фильтрующим материалом и дренажным водоотбором 35% притока.

Технология проведения капитальных выработок через глыбово-песчаноглинистые зоны обоснована на анализе инструментальных измерений осадок реперов подрабатываемого здания и многовариантных модельных расчетов для горно-геологических условий Днепропетровского метрополитена. В динамике движения реперов фиксируется совпадение фаз интенсификации осадок с фазами затухания по смежным реперам, что объясняется конструктивной связью элементов здания. Наиболее интенсивные осадки зафиксированы по реперам близким к зонам вывалов милонитизированных пород из межглыбового пространства. Установлено, что равномерные (фоновые) оседания грунтового основания и свайного поля не превышают 3,5 см; потеря гвдроста-

тического взвешивания грунтов приводит к дополнительным осадкам менее 1,5 см; дополнительные осадки при возмущении массива пород проходкой тоннеля без геофильтрационного разубоживания деформационных свойств не превышают 2,5 см; при потере деформационных свойств межглыбовой зоны,дробления и милонитизации модельные перемещения сопоставимы с натурными вне пределов удерживающего влияния забоя, причем разность оседаний реперов в пределах контура здания достигает 4,5 см. В динамике напоров подземных вод фиксируется поле повышенных градиентов в межглыбовом пространстве.

Разработанная технологическая схема проведения выработок чере: рассмотренные зоны предусматривает опережащий инструментальный и модельный мониторинг геофильтрационного состояния пород с опережающим расчетом зон физико-химического закрепления грунтового основания, подпора сводовой части выработки и дренажного смещения фильтрационных градиентов вглубь массива.

Влияние дренажно-разгрузочных функций подготовительных штреков на отработку обводненных угольных пластов требует оптимальности сочетания параметров геофильтрационных полей. Проницаемость слоистого массива заметно реагирует на взаимное положение спаренных штреков.,В условиях шахты "Павлоградская" в Западном Донбассе наиболее благоприятна по геофильтрационному эффекту ширина межштрекового целика 7...9 м. Местоположение слоя пород по высоте определяет степень его участия в формировании проницаемости: над сопряжением, в слое удаленном на 2 высоты штрека, растягивающие деформации сменяются сжимающими предопределяя поток в межштрековое пространство, а реализуется это при его размерах близких к 2,5 ширины штрека. Если данный размер приближвется к 0,5 ширины штрека, пиковые значения фильтрационных скоростей тяготеют к бокам штреков, снижая их устойчивость, так как в этом случае наиболее контрастна нагрузка контуров выработок по напряжениям.

Более сложное наложение геомеханических и гидродинамических процессов наблюдается при подготовке сближенных обводненных пластов. Установлено, что градиенты растягивающих напряжений, формирующих вертикальную проницаемость пород первых двух слоев в почве верхнего штрека (пласты С^, в Западном Донбассе), захватывают зону 5 м от его середины в сторону очистной выемки по нижнему пласту. В дэух нижних слоях аналогичная зона достигает 7 м, причем градиенты напряжений устойчиво реагируют на положение нижнего штрека, что малозаметно для верхних слоев. Концентрация пи-

ковых значений проницаемости в междупластье наилучшим образом

удовлетворяет требованиям фильтрационной разгрузки нисходящего потока при условии ее максимального приближения к разрыхленной зоне нижнего штрека'со стороны целика. Это реализуется при расстоянии между серединами штреков в плане более 8 м. Однако, его увеличение до 16 м, смещает наиболее проницаемый участок в массив, что приводит на практике к равномерному, но устойчивому обводнению сопряжений с лавой. Дренажное группирование на ьи-.пйй пласт, с одновременным переходом на восходящий порядок отрг ->t, позволяет максимально использовать эффект повышения —so., -..пкых функций предварительно расслоенных пород. При этом,пластовый поток в магистральные штреки сдерживается геофильтрационным барьером, контролируемым сечением выработки и сопротивлением крепи, а также может усиливаться пластовой тампонажной завесой.

В практикуемом нисходящем порядке подготовки и отработки сближенных обводненных пластов возникают ситуации, связанные с неизбежной подработкой верхнего штрека в зоне повышенного гор. ного давления илинадработкой магистральных штреков в зонах лйто-логического выклинивания водоносных пород. Исследования на моделях и промышленная апробация вариантов управления геофильтрационным состоянием породного массива показывают, что традиционная ориентировка на геомеханически разгруженные зоны неприемлема или требует дополнительных мер.

Установлено, что проницаемость горных пород между погашенным штреком верхнего пласта и кровлей очистной выработки снижается на 30% при входе лавы в зону повышенного горного давления (ПГД). Дополнительное крепление зоны капежа воды в лаве с оставлением крепи в завале снижает проницаемость пород на 15-20$. Концентрация напряжений на сопряжении лавы с удаленным бортовым штреком более интенсивна на фоне всех остальных зон взаимного влияния выработок, но недосягаема для фильтрационного потока. Дренажно-разгру-зочный штрек, проведенный параллельно зоне ПГД,деконцентрирует напряжения при подходе лавы и служит для оборудования водоспускной скважины. Проницаемость пород в кровле этого штрека постоянно снижается при пошаговом приближении очистного забоя. Сопоставление поля деформаций и напряжений в вариантах пошагового приближения лавы к штреку показало, что устойчивость угольного целика между дренажно-разгрузочным штреком и лавой сохраняется вплоть до подхвата потолочины в штреке верхняками механизированной крепи. В плоскости, совпадающей с противоположным боком штрека,в породной кровле образуется проницаемая зона с разрывом породных блоков, где

закладываются анкеры.под углом 45°кгоризонтали. На участках повышенного разрыхления пород, где фиксируется поле деформаций растяжения на моделях, предусматривается дополнительная затяжка кровли.

Перпендикулярная надработка магистральных штреков апробирована при междушастье кратном 5...б высоте выработок, удаленных друг от друга кратно 9,5 их ширины. Расположение зон концентрации напряжений и проницаемости вокруг выработок до их надработки, имеет неправильную форму из-за влияния диалогического выклинивания водоносного песчаника в кровле откаточного штрека. Максимально проницаемая зона в его окрестности развивается по восстанию пласта под углом 45-60° к вертикали. Аналогичная зона в конвейерном штреке, содержащем в кровле песчаник, захватывает почву выработки по направлению падения пласта.

По мере приближения очистного забоя наиболее интенсивно нагружаются, деформируются и'становятся водопроводящими породы кровли выработок. Наиболее опасны остановки очистного забоя на расстоянии 6...8 м до подхода к штреку. Характерно, что из-за консольного положения песчаника, подход очистного забоя к ближе расположенному конвейерному штреку и отход от него в пределах 12. ..15 м, разгру-жет породы вокруг откаточного штрека. При этом не возникает сквозного формирования проницаемых зон, поэтому в этот период целесообразно перекрепление выработки. Режим безремонтного поддержания выработок в слабометшлорфизованных породах возможен, если надработать сформировавшиеся зоны повышенного горного давления смежными лавами через 5...7 месяцев.

Перспективные технологии управления геофильтрационным состоянием породного массива с гидроразрывом пород по напластованию и комплексированием дренажно-закладочных работ обоснованы на натурных экспериментах, численных и физических моделях. Установлено, что в слабометаморфизованном межугольном массиве пород с вероятностью 87% формируется горизонтальная эллипсовидная полость гидроразрыва, ориентированная по кливажу. При нагнетании жидкости формируется характерная пиковая фаза давления с последующим, относительно равномерным, поглощением жидкости. В однородном песчаном слое поверхности гидроразрыва изогнуты и ориентированы вертикально. Горизонтально отслоенный гидроразрывом слой пород, резко увеличивает водозащитные функции массива в вертикальном направлении. Заполнение полости разрыва пластичной тампонажной смесью над сопряжением штрека и лавы, приводит к взаимному смещению наиболее проницаемых зон в верхнем и нижнем слое, препятствуя их фильтрационному сообщению. Предварительное обжатие слоя устойчивых водоносных пород тампонаж-

ной смесью через полости гидрорасчленения, адекватно увеличению их глубины залегания с усилением положительных геофильтрационных эффектов: на расстоянии 0,5 радиуса ствола проницаемость пород снижается в 2,5-4,3 раза по мере его заглубления.

Технологическая схема комплексирования дренажа и охраны выработок закладочными полосами предусматривает пуЛьпозаборную скважину, узел магазинирования водопесчаной смеси с дренажным самоторможением конуса выплыва, песковый насос, во до о т д е л и ч>»л ьну ю центрифугу, закладочную машину. Исследована транспортабельность и закладочные свойства бучакского песка Западного Донбасса: водотвер-дое отношение при заборе 1:1; около 90% фракций имеет размер 0,05 ...2,5 мм; водоотделение до влажности 10...13% достигается при весьма умеренном факторе разделения; относительная усадка в диа;-пазоне давлений 0,1...1,2 МПа составляет 0,5...2,8% с оптимальной влажностью 17...18%.

При дренажном снижении уровня в воронке оседания, формирующейся против очага пульпозабора, происходит инверсия нисходящих потоков, причем показательно, что с развитием воронки, нисходящая фильтрация смещается к периферии. В поле геофильтрационных тара-метров над закладочной полосой из бучакского песка отмечается снижение их градиентов, достигающее одного порядка по сравнению с управлением кровлей полным обрушением (для породной полосы эти показатели значительно меньше).

Техническая новизна представленных разработок отражена в 10 авторских свидетельствах, а их внедрение подтверждено реальным экономическим эффектом более I млн.руб. (в ценах до 1992 г.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-исследовательской работой, в которой решена научная и прикладная проблема эффективного и безопасного ведения горных работ в сложных гидрогеологических условиях на основе комплекса мер, воздействующих на нестацио-' нарные геомеханические и фильтрационные поля с использованием принципа управляемости технической системы "горная выработка - водоносная порода".

Основные научные и практические результаты диссертационной работы сводятся к следущему.

I. Созданы теоретические основы оценки геофильтрационного состояния породного массива вокруг выработок на базе двухуровен-ной дифференциации факторов в механизме взаимодействия водоносных

пород и капитальных, подготовительных и очистных выработок. Пути технологического и конструктивного воздействия на геофильтрационные поля выбираются с учетом доминирования структурно-геологических факторов в формировании общего гидродинамического фона шахты и особенностей полей напряжений, деформаций, напоров и скоростей фильтрации в геомеханически нарушенных областях массива вокруг выработок.

2. Разработаны и реализованы принципы постановки и решения актуальных гидрогеомеханических задач при рассмотрении геофильтрационного состояния породного массива с позиций его управляемости. Эмпирио-аналитическая оценка зоны водопроводящего разрыхления вокруг выработок учитывает литолого-структурный параметр и показатель влияния выемочного штрека на сопряжении с лавой. Описание поведения кровли над очистной выработкой основано на эмпирической корректировке аналитической расчетной схемы учетом краевых границ

в остановленном и движущемся забое, геофизических параметров скважин, экспериментальных величин смещений кровли и сдвижения горного массива. Геофильтрационные процессы с одновременным движением жидкой и твердой фаз отражают физические модели в автомодельном режиме либо в величинах, линейно зависящих от основных параметров.

3. Обоснован метод синтезирования численных моделей с использованием принципа управляемости в системе "водоносная порода -горная выработка". Численные геомеханические и фильтрационные модели сочленяются последовательной конечно-элементной аппроксимацией нестационарных полей напряжений и проницаемости, фильтрационных напоров и скоростей, которые увязываются на общих краевых границах с конечно-разностными моделями,отражающими гидродинамическую структуру фильтрации в шахту. Идентификация моделей и натуры осуществляется комплексом сопоставлений с аналитическими решениями, экспериментальными и натурными данными, физическим моделированием, а также с параметрами трещинного разрыхления образцов горных пород в режиме жесткого нагружения.

4. Исследованы закономерности геофильтрационного состояния вокруг шахтного ствола в устойчивых водоносных породах, где характерны взаимно-конкурирующие тенденции нелинейного уменьшения ■ проницаемости допредельно нагруженного породного контура-и гидродинамического взвешивания. При учете геомеханического последействия, установлены фазы гидравлической репрессии, нестационарной смены скоростей фильтрации и напряжений по мере углубки ствола в

водононосные породы. В этих закономерностях прослежено наиболее эффективное дренажно-разгрузочное влияние забоя ствола при отставании фильтрующей крепи на 2...3 его радиуса. Приближение к критическому значению гидродинамического взвешивающего разгруже-ния крепи описано аналитическими зависимостями.

5. Обоснован экологически рациональный путь использования водозащитных свойств горных пород при повышении выемочной мощности угольных пластов. Для этого используется комплексный подход

к оценке критерия безопасности горных работ под водоносными пес-, ками,включающий: приведение к показателю кратности подработки резерва защитных свойств горных пород вследствие нелинейности связи размеров проницаемой зоны от вынимаемой мощности пласта и различия в проникающей способности водопесчаной смеси и воды; повышение надежности критериального показателя за счет учета поглощения деформаций в подошве водоносного горизонта и снижения проницаемости расслоенной толщи горных пород.

6. Обоснованы параметры технологии безаварийного поддержания подготовительных выработок в зонах опасных по гидрогеомеха-ническим перегрузкам горного массива, где дифференцированно применяется ужесточение крепи или дренажное гашение гидравлических нагрузок. Для обводненных зон глыбово-песчаноглинистого состава, с высокой вероятностью их геофильтрационного разубоживания в окрестности капитальных выработок, предусматривается сочетание элементов опережающего геофильтрационного мониторинга горного массива с одновременной дренажной разгрузкой слабой зоны.

7. Использование дренажно-разгрузочных функций подготовительных штреков в зоне влияния очистных выработок основано на применении синтезных численных моделей и натурных данных для оптимизации размещения контуров выработок в участках геофильтрационного поля с минимальными градиентами напряжений и скоростью фильтрации. Технология дренажного группирования сближенных обводненных угольных пластов предусматривает восходящий порядок их отработки, с использованием водозащитных свойств предварительно расслоенных пород,и оптимизацию гидродинамических схем дренажа.

8. Комплекс специальных технологических мер управления геофильтрационным состоянием породного массива предусматривает использование установленного эффекта приближения фильтрационного барьера к штреку при уменьшении его сечения, а также эффекта сглаживания геомеханических полей при гидрорасчленении слоистых пород. Компоновка технологии забора водопесчаной смеси в рыхлом водонос-

ном слое и одновременного формирования закладочной полосы,опти-зирует поверхностный дренаж подрабатываемой территории и сглаживает фильтрационные градиенты вокруг выработок»

9. Разработано 10 новых способов и устройств для управления геофильтрационньм состоянием породного массива вокруг выработок. Они основаны на учете установленных закономерностей формирования геомеханических и фильтрационных полей и смещении проницаемых зон за пределы влияния выработок.

10. Разработки применены: в отраслевом нормативе "Методика расчета аварийной и технологической брони угольных шахт" (утверждена в Минуглепроме СССР), "Рекомендациях по применению горнотехнических мер снижения вредного влияния водопроявлений в очистных' выработках Западного Донбасса" (утверждены в П0"Павлоград-уголь", и Днепрогипрошахте), "Рекомендациях по подработке обводненных погашенных штреков" (утверждены в "Днепрогипрошахте"), специальных проектах отработки 9 лав на шахтах Западного Донбасса.

Реальный экономический эффект от внедрения результатов исследований превышает I млн.руб. (в ценах до 1992 г.).

Основные положения и результаты работы освещены в следующих публикациях.

1. Безазьян A.B., Садовенко И.А. Особенности водопроявлений в очистных выработках шахт // Безопасность труда в промышленности. - 1980. - № 3. - С.29-31.

2. Безазьян A.B., Костюк В.И., Садовенко И.А. Прогноз прорывов воды в очистные вырабо'тки шахт Западного Донбасса // Уголь.

- 1980. - № 5. - С.25-26.

3. Безазьян A.B., Садовенко И.А. Прогноз зональности водопроявлений в очистных забоях шахт Западного Донбасса // Геомеханические проблемы высокопроизводительной разработки тонких и средней мощности пластов на глубоких горизонтах: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн.конф. - Донецк, 1980, - С.82-83.

4. Безазьян A.B., Садовенко И.А., Кониченко Ю.В. Математическое моделирование вспучивания пород в горных выработках // Строительство предприятий угольной промышленности: Научн.-техн. реф. - сб. / ЦНИЭИуголь. - 1981. - № 5. - С.15-16.

5. Безазьян A.B., Садовенко И.А., Чудинов С.М. Прогнозирование размывов пластов в Западном Донбассе // Уголь Украины. -1982. - № 8. - С.37.

6. Безазьян A.B., Садовенко И.А., Тучнин А.П. Расширение об-

ласти применения лав с положительным гравитационным эффектом // Безопасность труда в промышленности. - 1982. - № 10. - С.62.

7. Садовенко И.А., Гичко В.А., Харитонов К.С. Подготовка выемочных столбов при подработке водоносных горизонтов // Добыча угля подземным способом / Сб. ЦНИЭИуголь. - 1982. - А» 5. - С. 1415.

8. Садовенко И.А. Исследование проявлений горного давления 'с помощью гидрогеологических измерений в лавах // Реф. журнал. Горное дело. - 1982. - № 3, ЮБ - C.I2.

9. Колоколов О.В., Садовенко И.А. Определение зоны водопро-водящих трещин над очистными выработка™ // Известия вузов. Горный журнал. - 1983. - № I. - C.II-I4.

10. Безазьян A.B., Садовенко И.А., Дудля H.A. Взаимодействие водоносных пород и выемочных выработок // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1983. - № 4. - С.35-36.

11. Безазьян A.B., Садовенко И.А., Листопадов А.Н. Геолого-маркшейдерское обоснование выбора мест заложения, способов охраны и крепления капитальных горных выработок // Доклады республиканского научно-технического совещания. - Павлоград, 1983. - С. 34-35.

12. Безазьян A.B., Садовенко И.А., Дудля H.A. Расчет основных параметров гтротивофильтрационных завес для пластовых горизонтов шахт Западного Донбасса // Шахтное строительство. - 1983.

- № 7. - С.12-14.

13. Садовенко И.А., Дудля H.A., Безазьян A.B. Натурные исследования реологии подрабатываемого массива // Известия вузов. Горный журнал. - 1984. - № 7. - C.4I-42.

14. Садовенко И.А., Шевченко С.Д., Попова Т.М. Прогноз влажного режима промплсщадок йахт. // Шахтное строительство. - 1906.

- № 9. - С.17-18.

15. Улучшение использования средств механизации на угольных шахтах / Под редакцией О.В.Колоколова. - Киев: Техника. - 1986.

- С.5-25.

16. Безазьян A.B., Садовенко И.А., Никитина K.M. Пластовые отдельности и типизация поверхностей ослабления в породах нижнего карбона Западного Донбасса // Уголь. - 1986. - № 7. - С. 5556.

• 17. Садовенко И.А. Расчетные зависимости для определения величины нагружения крепи шахтных стволов // Шахтное строительство. - 1986. - № II. - С. 15-17.

18. Шмиголь A.B., Кириченко В.Я., Садовенко И.А. Методика расчета параметров крепи выемочных штреков шахт Западного Донбасса // Шахтное строительство. - 1987. - № I - C.9-I0.

19. Садовенко И.А. Влияние факторов горного давления на ' фильтрацию подземных вод в шахтный ствол // Шахтное строительство,

- 1988. - № 6. - С.25-27.

20. Методика определения аварийной и технологической брони предприятий угольной промышленности // Минуглепром СССР. М. :

- 1989. - С.81-92.

21. Садовенко И.А. Взвешивающее разгружение крепи шахтных стволов в устойчивых водоносных породах // Известия вузов. Горный журнал. - 1989. - № 4. - С.33-37.

22. Садовенко И.А., Гришунин О.В. Перспективная природоохранная технология горных работ в Западном Донбассе //. Проблемы рационального использования и охраны водных ресурсов бассейна нижнего Днепра: Материалы региональной науч.техн.конференции. -Днепропетровск. - 1990. - С.15-17.

.23. Экспериментальные исследования защитных свойств подрабатываемых горных пород в Западном Донбассе / Садовенко И.А., Антонов Ю.И., Тимощук В.И., Матвиенко A.A. //Известия вузов. Горный журнал. - 1990. - № 2. - С.3-6.

24. Садовенко И.А., Тимощук В.И., Матвиенко A.A. Управление геофильтрационным состоянием горного массива при ведении горных' работ // Комплексное и рациональное освоение железорудных месторождений и охрана природы: Тез. докл. науч.-прак» конф. - Губкин, 1990. - С.29-31.

25. Природоохранные и гидрогеомеханические аспекты оценки и использования водозащитных свойств горных пород / Садовенко И.А., Антропцев А.М., Антонов Ю.И., Тимощук В.И. // Известия Днепропетровского горного института: Сб. науч. тр. - М.: Недра, 1990.

- С.I26-I3I.

26; Садовенко И.А., Тимощук В.И., Матвиенко A.A. Исследование возможности технологического применения гидроразрыва горных пород для водозащиты горных выработок // Совершенствование технологии горного производства для снижения негативного воздействия на окружающую среду. Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. -Кривой Рог, 1991. - С.85-86.

27. Садовенко И.А., Гришунин О.В. Исследование параметров геомеханического и фильтрационного состояния горного массива на численных моделях // Совершенствование технологии горного произ-

водства для снижения негативного воздействия на о кружащую среду: Тез. докл. Всесою. науч.-техн. конф. - Кривой Рог, I99I-. -С.57-Е8.

28. Садовенко И.А., Тимощук В.И. Исследование геофильтрационного состояния подрабатываемого горного массива на геомеханических моделях // Известия вузов. Геология и разведка. -1991. - № 2. - С. 92-97.

29. Опыт оценки и использования дренажно-разгру;г ы:-: функций выработок / Немцов П.А., Марченко А.Г., Садов'нтг , Тимощук В.И. // Уголь Украины. - 1991. - № 5. - C.K-Ij.

30. Безазьян A.B., Садовенко И.А., Листопадов А.Н. Тектонические разрывы и их влияние на эффективность и безопасность гор-' ных работ // Безопасность труда в промышленности. - 1991. - № 9, - С.67.

31. Садовенко И.А.. Синтезирование численных моделей при решении задач управления геофильтрационным состоянием горного массива // Известия вузов. Горный журнал. - 1991. - № 12. - C.I9 -22..

32. Садовенко. И.А. Комплексные исследования для управления проницаемостью горных пород в окрестности выработок // Совершенствование технологии горного производства для снижения негативного воздействия на окружающую среду: Тез. докл. Всесоюз. науч. - техн. конф. - Кривой Рог, 1991. - С.61-62.

33. Садовенко И.А. Расчетный метод определения раскрытости трещин расслоения в экспериментальных скважинах // Известия вузов. Горный журнал. - 1991. - № 8. - C.I6-I9.

34. Садовенко И.А., Грипунин О.В. Свойства водовмещающих песков Западного Донбасса как закладочного материала // Известия вузов. Геология и разведка. - 1991. - № 8. - С.149-150.

35. Садовенко И.А. &шириоаналитическая оценка формирования водопроницаемой зоны над выработками // Известия вузов. Горный журнал. - 1991. - № 9. - С.34-38.

36. Садовенко И.А., Приходько В.А., Листопадов А.Н. Исследование геофильтрации над очистной выработкой // Изучение и прогноз сдвижений и деформаций массивов горных пород, гидро-геомеханических процессов при разработке месторождений подземным и открытым способом: Сб. науч. тр. ВНИМИ. - С.Петербург, 199I. - С.244-247.

37. Садовенко И.А., Чуб В.В. Достоверность критериев безопасной отработки угольных пластов под плывунами // Безопас-

ность труда в промышленности. -" 1992. - № 3. - С.44-45.

38. A.C. № 846716 (СССР). Устройство для изоляции интервала скважины / Безазьян A.B.; Садовенко И.А. - Опубл. в Б.И., . 1981, № 26.

39. A.C. I07985I (СССР). Способ и устройство для управления кровлей в очистных забоях / Садовенко И.А., Безазьян A.B., Колоколов О.В., Харитонов К.С. - Опубл. в Б.И., 1984.' - № Ю.

40. A.C. 1262042 (СССР). Способ предотвращения водоприто-ков в горные выработки / Садовенко И.А. '- Опубл. в Б.И., 1986.

41. A.C. I4530I4 (СССР). Способ проходки шахтного ствола . в водоносных породах / Садовенко И.А. - Опубл. в Б.И., 1989. -№ 3. '

42. A.C. 1645533 (СССР). Способ проходки водоносных пород горной выработкой / Садовенко И.А. - Опубл. в. Б.И., 1991. ,- № 16.

43. A.C. I6437I9 (СССР). Способ управления геофильтрационным состоянием горного массива /"Садовенко И.А., Гришунин О.В. -Опубл. в Б.И.,' 1991. - № 15. _

44. A.C. I7I7840 (СССР). Способ управления геофильтрационным состоянием горного массива / Садовенко И.А., Матвиенко A.A., Тимощук В.И. - Опубл. в Б.И. - 1992. - № 9.

Личный вклад автора в работах .опубликованных в соавторстве состоит в следующем: /I, 3, 4, 5, 6, II, 15, 16, 20/ - обработка натурных данных, решение задач, анализ результатов .решения; . /2, 7, 9, 10, 12, 13, 14, 18, 30, 37/ - постановка задач, определение методики решения, анализ результатов; /23, 25, 26/ - ,■ разработка методики проведения натурных исследований, руководство их проведением, анализ результатов; /29-, 34 , 36/ - обоснование методики, экспериментов, проведение измерений, анализ результатов; /27, 28/ - теоретическое обоснование алгоритмов численных решений, анализ"результатов; /22, 24, 38, 39, 43, 44 / - идея и обоснование параметров способов и технологических схем управления геофильтрацией. ,

- № 37

/

Подписано к печати 16. 11. 92Усл. печ. д. 2,25 Тираж120 Зак. 1282 Ротапринт ДГШ, Днепропетровск, Миронова, 15