Войти  |  Регистрация
Авторизация

Деформации и проницаемость горных пород подработанных массивов



Деформации горных пород в кровле очистных выработок. Разработка пластовых полезных ископаемых в настоящее время ведется преимущественно крупными очистными выработками с частичным или полным обрушением кровли. При этом деформации и смещения (сдвижения) охватывают значительный объем пород, окружающих очистную выработку. Характер таких деформаций определяется, прежде всего, размерами очистной выработки, степенью ее закладки, а также прочностью пород и материала закладки. На угольных месторождениях, например, размеры очистных выработок таковы, что процесс сдвижения над ними охватывает все слои породы между выработанным пространством и земной поверхностью на сравнительно большой площади (0,2—0,5 км2 и более для одной очистной выработки).
Максимальные деформации в подработанном массиве происходят в зонах, прилегающих к границам выработанного пространства (в плане), под влиянием сжимающих, изгибающих и растягивающих напряжений, вызванных оседанием кровли очистной выработки.
Деформации и проницаемость горных пород подработанных массивов

Деформации в надработанных породах (залегающих в подошве очистной выработки) сравнительно малы и практически не влияют на условия выемки полезных ископаемых под водными объектами. Характер изменения соотношений нагрузок в слоях над выработанным пространством до и после подработки показан на рис. 70. Эпюры нагрузок на различных расстояниях от выработки позволяют проследить в подработанном массиве достаточно широкую зону разгрузки, где напряжения ниже естественных. В целике и в зоне полных сдвижений, рядом с зоной разгрузки, возникают зоны опорных давлений. При этом на краю зоны полных сдвижений максимальные опорные давления не превышают обычно естественную нагрузку более чем в 1,2 раза, тогда как у краев целика они могут превышать ее в 2—3 раза и более. Поэтому предполагается, что новые трещины, секущие подработанные слон, образуются в зоне опорного давления над целиком и раскрываются вместе с естественными трещинами, когда они попадают в зону разгрузки. Именно в зоне разгрузки, в местах наибольшего искривления слоев, следует ожидать и наибольшего раскрытия трещин. В зоне полных сдвижений все трещины в значительной мере закрываются, но полному восстановлению естественного раскрытия трещин препятствуют небольшие относительные смещения смежных блоков.
Основными факторами, определяющими возникновение трещин в подработанном массиве горных пород, являются высота оседания кровли и физико-механические свойства пород: чем меньшие относительные деформации выдерживает порода без разрыва сплошности и чем больше мощность вынимаемого пласта, тем интенсивнее трещиноватость породы в подработанном массиве. Известно, что аргиллиты и слабые (неокремненные и некарбонатизированные) алевролиты способны выдерживать без образования трещин в несколько раз большие относительные деформации, чем песчаники и крепкие алевролиты. Поэтому на некотором удалении от выработанного пространства, по мере ослабления деформации, между слоями песчаников со значительно увеличившейся трещиноватостью и водопроницаемостью могут сохраниться слои глинистых пород с естественной (сравнительно слабой) трещиноватостью и проницаемостью.
Деформации и проницаемость горных пород подработанных массивов

Фильтрационная зональность подработанного массива. Подработанный массив принято разделять по нормали к слоистости на три зоны: зону обрушения, зону прогиба с образованием трещин и разломов и зону плавного прогиба. К зоне обрушения относятся слои, залегающие непосредственно над пластом (рис. 71). Эти слои при оседании кровли обрушаются и занимают, из-за беспорядочного положения глыб и кусков, увеличенный объем. Мощность зоны обрушения обычно не превышает 3—4-кратной высоты посадки кровли. Обрушенные и разрыхленные породы поддерживают более высокие слои зоны трещин и разломов, оседающие с сохранением слоистой структуры, но с образованием трещин расслоения и сквозных трещин, секущих слои. Высота зоны обрушения и зоны трещин зависит, главным образом, от прочностных характеристик пород и высоты посадки кровли. Изменение углов падения слоев от 0 до 30° на размеры указанных зон влияет незначительно. Над двумя первыми зонами расположена зона прогиба, в которой слои прогибаются плавно, но с образованием трещин расслоения, параллельных напластованию.
Очевидно, в зоне обрушения водопроницаемость будет практически неограниченной. В зоне трещин и разломов возникает комплекс полостей из новых и расширенных естественных трещин, нормальных к напластованию, а также трещин расслоения. Вследствие этого проницаемость в зоне трещин и разломов увеличивается во много раз по сравнению с естественной, и устанавливается тесная гидравлическая связь всех слоев зоны с выработанным пространством. По сравнению с зоной обрушения зона трещин и разломов обладает меньшей проницаемостью и ярко выраженной анизотропией.
Выше, в зоне прогиба, продольные деформации в слоях невелики и проницаемость по нормали к слоистости в них практически не отличается от естественной проницаемости. Водоупорные слон здесь будут сравнительно надежно изолировать залегающие над ними водоносные слои от интенсивного дренажа в сторону выработки. Следует заметить, что, так как градиенты напора между сдренированными слоями зоны трещин и разломов и изолированными водоносными слоями зоны прогиба станут значительно выше, чем до их подработки, то, вообще говоря, можно ожидать усиления перетекания из верхних слоев в нижние с соответствующим снижением напоров в верхних слоях. Однако, как показали наши наблюдения, в условиях Кузнецкого, Донецкого, Карагандинского и других угольных бассейнов напоры в слоях зоны прогиба изменяются очень медленно и практически мало отличаются от естественных напоров до подработки.
Если же в пределах зоны трещин и разломов есть хотя бы один слой достаточно пластичной породы, способной выдержать возникающие здесь деформации без образования трещин, то все расположенные над ним деформированные слои, независимо от степени их трещиноватости, не будут иметь тесной гидравлической связи с выработкой и практически не будут влиять на приток в нее. Таким образом, в общем случае зона трещин и разломов не совпадает с зоной трещин, гидравлически связанных с выработанным пространством, или, как мы ее будем называть в дальнейшем, зоной водопроводящих трещин.
Следовательно, с помощью гидрогеологических наблюдений представляется возможным разделить всю толщу слоистых горных пород над выработанным пространством на две части: верхнюю, практически не имеющую тесной гидравлической связи с выработкой, и нижнюю, имеющую такую связь. Определение в натуре границы между этими частями толщи имеет большое практическое значение, так как, во-первых, дает возможность определить оптимальную глубину безопасной подработки водных объектов, а во-вторых, позволяет значительно повысить точность прогноза притока в лаве или шахте, исходя из конкретных гидрогеологических условий.
Трещины расслоения. Изгибы слоев в зоне разгрузки сопровождаются относительными сдвигами по границам слоев или по контактам отдельных литологических разностей, для которых характерно пониженное сцепление. Образующиеся таким образом трещины принято называть трещинами расслоения, или, другими словами, предельная мощность пачки совместно прогибающихся слоев тем меньше, чем сильнее изгиб слоев, чем меньше сцепление между слоями и чем выше прочность породы ка сжатие. Более трещиноватые слои изгибаются легче. А так как трещиноватость подработанных пород с глубиной возрастает, то, чем ближе к выработанному пространству, тем больше условий для образования расслоений. На удалении 10—20 м по нормали к слоистости от вынимаемого пласта расстояния между трещинами расслоения могут составлять 0,5—1,0 м.
Трещины расслоения могут иметь раскрытие в несколько сантиметров и являться причиной дренирования метана или прорывов воды в горные выработки. Так, наблюдения за притоком газа из тонких угольных прослойков, расположенных на высоте около 60 м над выработанным пространством, показали, что до подхода к дренажной скважине границы зоны опорного сжатия выделение газа было очень большим и оставалось таковым до тех пор, пока забой не удалялся от скважины более чем на 150—200 м. Этот факт расценивается как свидетельство значительных плановых размеров трещин расслоения (до 150—200 м) и их способности сохранять значительное раскрытие в зоне опорного сжатия. Примерно такие же размеры трещин расслоения наблюдались в Карагандинском угольном бассейне. При разработке пластов на глубине Н, равной 100—200 м, трещины расслоения брали начало на внешней границе зоны разгрузки, высота зоны расслоений была равной 1/2Н а затухание расслоений отмечалось на расстоянии (0,8—1,0)H за забоем.
Наблюдениями за глубинными реперами в скважинах, произведенными сотрудниками ВНИМИ В.А. Земнсевым и В.В. Гусевым в Львовско-Волынском каменноугольном бассейне, были зафиксированы трещины расслоения по всей 300-метровой толще пород, подработанной пластом мощностью 1,3—1,4 м (угольная толща представлена здесь почти горизонтально залегающими мергелями, мелоподобными известняками и песчано-глинистыми отложениями карбона). При этом в интервале глубины от 50 до 180 м над пластом наиболее существенные горизонтальные подвижки (с амплитудами, превышающими диаметр скважины, равный 130 мм) и связанные с ними трещины расслоения возникали в среднем через 10 м. Факты относительных смещений слоев по трещинам расслоений с амплитудами до 15 см приводятся и другими исследователями. При этом не исключается возможность образования в наблюдаемой зоне сравнительно более мелких горизонтальных трещин со смещениями, которые можно зафиксировать только при частой расстановке реперов и высокой точности замеров. Средняя мощность пачек слоев, прогибающихся без образования в них значительных трещин расслоения, на высоте порядка 300 м над вынимаемым пластом составляет 30—50 м.
Относительные вертикальные растяжения толщи в зоне прогиба пород, на высоте от 50 до 250 м над выработанным пластом, в период активных сдвижений изменяются от 2*10в-4 до 12*10в-4, а в самых нижних слоях зоны — до 18*10в-4. Такое растяжение толщи происходит, главным образом, за счет раскрытия естественных трещин и трещин расслоения. Следовательно, в интервале разреза длиной 10 м общее увеличение раскрытия всех трещин, параллельных напластованию, может изменяться Примерно от 2 до 18 мм.
В 1967 г. в Кузбассе, на шахте «Чертинская-1», примерно через год после выемки пласта на глубине около 140 м, посредством наблюдений за поглощением воды в скважине в интервале от 75 до 110 м трещины расслоения отмечались через каждые 6—7 м.
В 1968 г. там же, на шахте «Пионерка», по наблюдениям за глубинными реперами Б.Я. Гвирцманом было установлено, что уже в начальный период сдвижения, на расстоянии 15—20 м (в плане) от забоя и 50—80 м от пласта по вертикали, в подработанной толще возникают значительные расслоения, компенсирующие вертикальные растяжения до 60—70 мм. При этом мощность совместно прогибающихся групп слоев на высоте от 50 до 80 м над выработкой не превышает 8—10 м.
Относительная устойчивость остаточных деформаций растяжения и сохранение повышенной проницаемости подработанного массива в зоне полных сдвижений определяются, по нашему мнению, относительным смещением неровных поверхностей трещин расслоения, Чем больше суммарная площадь участков соприкосновения и крепче порода, тем устойчивее трещина расслоения.
Итак, трещины расслоения начинаются на границе целика с подработанным массивом и продолжаются в глубь зоны полных сдвижений. Однако наиболее раскрытые и водопроницаемые участки трещин расслоения приурочены к зоне разгрузки.
Для обнаружения трещин расслоения во ВНИМИ разработан прибор, основанный на принципе ультразвукового каротажа, Прибор обладает достаточно высокой чувствительностью, но им не всегда удается отличить трещину расслоения от кососекущей трещины или ослабленного, но еще не нарушенного контакта между двумя литологическими разностями. Раскрытие трещин расслоения и их положение в разрезе можно определить фотографированием стенок скважин приборами типа ФЭБ-220, СФ-2 и др.
Влияние трещин расслоения на приток воды к скважинам и оценку естественной проницаемости породы. Наличие в толще подработанных пород трещин расслоения, площадь распространения которых соизмерима с площадью выработки, вызывает существенное увеличение водозахватной или водоотдающей способности пересекающих их скважин. Следовательно, результаты гидрогеологических опытов в подработанных породах нельзя интерпретировать без учета влияния трещин расслоения. Именно по этой причине метод определения допустимой глубины производства горных работ под водными объектами путем сравнения удельных водопоглощений в слое до и после подработки, предложенный И.В. Хохловым, дал существенно завышенные результаты: интервалы опытных скважин, которые, на самом деле, расположены в зоне плавного прогиба и встретили трещины расслоения, гидравлически не связанные с выработанным пространством, ошибочно относились к зоне трещин, сообщающихся с выработанным пространством.
Условия притока воды к трещинам расслоения с проводимостью, во много раз превышающей проводимость вмещающего слоя, очень сходны с условиями фильтрации к площадному дренажу (колодцу или котловану с плоским дном), вскрывающему напорный водоносный горизонт ограниченной мощности. Для оценки притока к такой дренажной форме одни авторы рекомендуют аналитическую зависимость В.Д. Бабушкина, другие — эмпирическую зависимость М.В. Сыроватко. Однако контрольные оценки на моделях ЭГДА показали, что применение этих рекомендаций не всегда дает удовлетворительные результаты.
Поэтому нами были поставлены опыты на объемной электролитической модели ЭГДА для изучения фильтрационной сетки возле скважины и сообщающейся с ней горизонтальной — параллельной слою — трещины. На этой модели были получены сетки фильтрации при различных отношениях мощности слоя M к радиусу трещины rт. По сеткам построены графики распределения притока по трещине (рис. 72), показывающие зависимость между расстоянием от центра трещин r, выраженным в долях радиуса трещины rт, и той частью притока, которая попадает в трещину в зоне между rт и r при различных отношениях M/rт. Согласно этим графикам, при М/rт = 0,3 около 80% притока поступает в трещину расслоения по ее краевой зоне на расстоянии 0,85rт от центра.
Деформации и проницаемость горных пород подработанных массивов

Анализ полученных сеток фильтрации показывает также, что трещина, расположенная на границе слоя, при rт≥М поглощает 90% всего притока в нее в интервале rт/2/rт. Поэтому притоком к стенкам скважины в подобном случае можно пренебречь. Если трещина расположена в середине слоя, притоком к стенкам скважины можно пренебречь при rт ≥ М/2. При этом существенные искажения плоско-радиального потока распространяются не далее, чем на величину мощности слоя от края трещины, если трещина расположена у кровли или подошвы слоя, и не далее, чем на половину мощности слоя, если трещина находится в средней его части. Следовательно, величина дополнительного фильтрационного сопротивления, возникающего в результате искажения притекающего к трещине плоско-параллельного потока, практически не зависит от радиуса скважины, пересекающей трещину (при rт ≥ М), и не зависит от расстояния R до контура питания (при R ≥ rт+М). В таких условиях приток к трещине Q можно вычислить по формуле Ж. Дюпюи для «большого колодца» с радиусом, равным радиусу трещины, при введении в нее безразмерной величины Фдоп, выражающей относительное дополнительное фильтрационное сопротивление в искаженном трещиной потоке и не зависящей от радиуса скважины и расстояния R до контура питания:
Деформации и проницаемость горных пород подработанных массивов

где k — естественный коэффициент фильтрации; S — понижение уровня.
По результатам моделирования построен график зависимости Фдоп=f(M/rт) (рис. 73) применительно к формуле (VIII) для двух положений горизонтальной трещины в слое — в средней части и на границе с водоупором. При оценке величин притоков к трещинам, занимающим другие положения, величина Фдоп может быть определена с достаточной для практических целей точностью путем интерполяции. Зависимость Фдоп = f(М/rт) может быть также выражена следующими эмпирическими формулами:
Деформации и проницаемость горных пород подработанных массивов

В свое время для обоснования допустимой глубины производства горных работ под водными объектами был предложен и использован метод сравнения удельных водопоглощений в слоях кровли до и после их подработки. Во избежание завышения высоты зоны водопроводящих трещин при использовании этого метода, проницаемость подработанного слоя рекомендуется оценивать по формуле (VII.1). При этом сопротивлением самой трещины вполне допустимо пренебречь: нетрудно, например, показать, что в трещине расслоения с приведенным радиусом 50—100 м, раскрытием в 1 мм и шероховатостью 0,1 потери напора для потока с расходом около 100 л/мин (6 м3/ч) составляют всего около 2 м вод. ст. Основные потери напора происходят в непосредственной близости (не далее полуметра) от скважины и практически очень мало зависят от понижения скважины относительно границ трещины расслоения.
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent