Войти  |  Регистрация
Авторизация

Гидрогеологические методы определения высоты зоны водопроводящих трещин и ее проницаемости



До недавнего времени основным методом определения высоты зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством являлось обобщение опыта подработки поверхностных водотоков, водоемов и затопленных выработок. В результате ряда исследований были получены эмпирические зависимости, характеризующие главным образом связь между высотой зоны водопроводящих трещин и вынимаемой мощностью пласта. Эти зависимости представляют собой уравнения кривых, разделяющих поле рассмотренных случаев подработки на два участка, один из которых объединяет только случаи с неизменными притоками воды в горные выработки, а другой — случаи, среди которых отмечались и увеличения притоков.
Анализ имеющихся данных показал, что к опыту подработки пойм и русел рек следует относиться с большой осторожностью, особенно в тех местах, где реки и подрусловые потоки питают водоносные горизонты в толщах коренных пород, из которых в горные выработки могут поступать значительные притоки, независимо от наличия гидравлической связи по трещинам сдвижения между водотоками и выработками. Недостаточный учет этого фактора часто приводил к завышению высоты зоны водопроводящих трещин, что, в свою очередь, повлекло за собой завышение безопасной глубины разработки под водными объектами и потери полезного ископаемого. Следовательно, снижение потерь полезных ископаемых в предохранительных целиках под водными объектами возможно только на основе использования таких методов определения высоты зоны водопроводящих трещин, которые с достаточной полнотой учитывают конкретные горно-геологические условия на участке подработки. Этим требованиям отвечают разработанные в последние годы во ВНИМИ и внедренные в практику угледобывающих предприятий гидрогеологические методы, к которым относятся:
- метод наблюдений за напорами в подработанных слоях; метод сравнения удельных водологлощений в подработанных слоях до и после их подработки;
- метод расходометрического каротажа скважин в подработанных массивах;
- метод наблюдений за поровым давлением.
Метод наблюдений за напорами. Толщи, вмещающие пластовые полезные ископаемые, как правило, представляют собой более или менее частое чередование относительно водопроницаемых или водоносных и относительно водоупорных слоев. При выемке пласта полезного ископаемого ближайшие к нему относительно водоносные слои попадают в пределы зоны водопроводящих трещин, вода, заключенная в них, дренируется в выработанное пространство и напор в них при этом существенно снижается или снимается полностью. Водоупорные слои, расположенные выше зоны водопроводящих трещин, сохраняют свои естественные свойства, а в водоносных слоях над ними практически сохраняется естественный режим. Следовательно, наблюдая за напорами водоносных горизонтов над выработанным пространством можно определить высоту зоны трещин, сообщающихся с ним.
Такой подход к определению высоты зоны водопроводящих трещин может быть эффективен только при небольшой проницаемости водоносных слоев, когда отвод из них в очистную выработку безопасного количества воды приводит к заметным снижениям напоров в этих слоях. В специфических условиях угольных месторождений, например, где площади дренирования подработанных водоносных слоев измеряются десятками тысяч квадратных метров, а водопроводимость их достаточно мала, определение высоты зоны водопроводящих трещин методом наблюдений за напорами в подработанных слоях дает вполне надежные результаты. Этот метод может быть реализован в двух вариантах: а) наблюдения за напорами проводится с помощью пьезометров; б) наблюдения за напорами проводится в процессе бурения специальных гидрогеологических скважин.
Для определения высоты зоны водопроводящих трещин посредством пьезометров последние устанавливаются на участке предстоящих очистных работ в нескольких водоносных горизонтах. При этом нижний пьезометр должен быть оборудован в водоносном слое, заведомо попадающем в зону водопроводящих трещин, а самый верхний — в приповерхностном слое или в водоносном слое, заведомо сохраняющем свой естественный режим. Несколько пьезометров оборудуются в водоносных слоях, занимающих промежуточное положение. Чем меньше расстояние между пьезометрами, тем выше точность определения высоты зоны водопроводящих трещин (рис. 74).
Гидрогеологические методы определения высоты зоны водопроводящих трещин и ее проницаемости

Наблюдения за напорами в пьезометрах начинаются до подхода забоя лавы к опытному участку и продолжаются до окончания периода интенсивных деформаций. Высота зоны водопроводящих трещин определяется как расстояние по нормали к слоистости от кровли пласта до середины интервала между двумя соседними наблюдаемыми водоносными слоями, в нижнем из которых напор H был заметно снижен, а в верхнем — остался практически без изменений или изменился в пределах естественных его колебаний за соответствующий период времени Характерные графики изменения уровней в подрабатываемых пьезометрах показаны на рис. 75.
Гидрогеологические методы определения высоты зоны водопроводящих трещин и ее проницаемости

Установка пьезометров проводится в центре лавы по направлению ее движения. Устройства, изолирующие наблюдаемые интервалы скважин от влияния вышележащих водоносных слоев (тампоны, сальники и др.), устанавливаются, по возможности, в наиболее мощных водоупорных прослоях. При этом нужно учитывать, что изоляция наблюдаемых слоев не должна быть нарушена при изгибах и оседаниях слоев в период сдвижения подработанного массива, В связи с этим рекомендуется избегать использования цемента в качестве изолятора, заменяя его более пластичными материалами, с одной стороны, а с другой — обеспечить свободное движение по скважине колонны пьезометра под действием собственной силы тяжести при дифференциальных вертикальных сдвижениях в толще на различных уровнях. При несоблюдении этого требования может произойти разрыв колонны или зависание тампона.
При наличии дистанционных датчиков давления с точностью тарировки не ниже 0,05 атм (в диапазоне возможных изменений давления) наблюдения за напорами в разных водоносных слоях можно проводить с помощью одной скважины. В качестве дистанционных датчиков давления высокой точности могут быть использованы датчики порового давления.
Определение высоты зоны водопроводящих трещин методом наблюдений за напорами в пьезометрах имеет существенное преимущество перед другими методами в том, что дает возможность не только просто и надежно определить фактическую высоту зоны трещин, но и проследить ее развитие во времени. Недостатком метода в этом варианте является сравнительно большой объем буровых работ. Поэтому, при наличии специального оборудования для изоляции наблюдаемых интервалов, высота зоны водопроводящих трещин на определенный момент времени после отработки пласта может быть оценена методом наблюдений в процессе бурения специальных гидрогеологических скважин. Число таких скважин должно быть не менее двух. Одна из скважин бурится в неподработанной толще для определения естественных напоров подземных вод, а другая — над выработанным пространством в период наибольших деформаций. Если же естественные напоры в подрабатываемых водоносных слоях известны заранее, то достаточно одной скважины, пробуренной над участком выемки пласта в период максимальных деформаций. В процессе ее бурения последовательно определяются напоры в каждом пройденном водоносном слое. Для изоляции наблюдаемых водоносных слоев удобно использовать двухколонный тампон типа УТД (рис. 76). Высота зоны водопроводящих трещин определяется аналогично варианту с пьезометрами.
Гидрогеологические методы определения высоты зоны водопроводящих трещин и ее проницаемости

В целом точность определения высоты зоны водопроводящих трещин по наблюдениям за напорами зависит от мощности чередующихся водоносных и водоупорных слоев в подработанной толще. С уменьшением мощности слоев точность метода увеличивается.
Метод сравнения удельных водопоглощений. Метод сравнений удельных водопоглощений основан на анализе результатов опытных нагнетаний в изолированные интервалы скважин в процессе их бурения и может быть использован для определения высоты зоны водопроводящих трещин как в сухих, так и в обводненных слоистых толщах. При этом сравнивается величина удельного водопоглощения каждого слоя на неподработанном участке qц с удельным водопоглощением этого же слоя на подработанном участке qп. Если опробуемый интервал скважины в слое на подработанном участке окажется связанным с выработанным пространством или с соседним слоем, сдренированным через нарушенный водоупор, то будет больше qц.
Конечно, трещины, нормальные напластованию, не всегда могут быть непосредственно встречены скважиной или иметь с нею гидравлическую связь; однако скважина, последовательно пересекающая трещины расслоения, может реагировать на появление нормальных к слоистости трещин и на значительных удалениях от них. Поэтому опытные нагнетания следует проводить на участках наибольшего развития трещин расслоения.
Для получения необходимых величин удельных водопоглощений опробуются две скважины: одна — над целиком, а другая — в подработанном массиве. Длина опробуемых интервалов скважин назначается обычно с таким расчетом, чтобы каждый интервал располагался либо в проницаемом слое, либо в водоупоре и, по возможности, включал трещину расслоения. В соответствии с изложенным в § 2 данной главы, для угленосных толщ можно рекомендовать среднюю длину интервалов для нагнетаний примерно 10 м.
В процессе опытных нагнетаний следует избегать больших напоров. Так, при давлении на забое опробуемого интервала скважины, равном (0,1—0,12)Н, кгс/см2 (Н — глубина интервала), может произойти гидрорасчленение слоев, и полученные величины удельных водопоглощений окажутся завышенными. Большие давления при опытных нагнетаниях в подработанном массиве могут также изменить установившееся к моменту испытаний равновесие горных пород и исказить действительную водопроницаемость.
Однако полученные величины удельных водопоглощений для соответствующих слоев в целике qц и на подработанном участке в период активных сдвижений qп нельзя непосредственно сравнивать между собой, так как наличие в подработанном массиве трещин расслоения во много раз увеличивает водопроницаемость массива параллельно слоистости. В связи с этим поглощающая способность изолированного интервала скважины при заданном напоре зависит не от радиуса скважины, как это имеет место в неподработанном массиве, а от приведенного радиуса зоны распространения трещин расслоения.
Ожидаемую величину удельного водопоглощения в скважине, вскрывшей трещину расслоения, можно получить из зависимостей (VII.1) и (VII.2):
Гидрогеологические методы определения высоты зоны водопроводящих трещин и ее проницаемости

где rc — радиус скважины. В остальном обозначения в зависимостях (VII.1), (VII.2) и (VII.4) аналогичны.
При определении высоты зоны трещин, сообщающихся с выработанным пространством, удельные водопоглощения qп, полученные в результате нагнетаний в подработанной толще, сравниваются не с величиной qц, а с величиной вычисленной по зависимости (VII.4). Если то опробуемый интервал нужно отнести к зоне трещин, сообщающихся с выработанным пространством.
Величина приведенного радиуса трещины расслоения может быть определена исходя из ее периметра, который на расстоянии от кровли вынимаемого пласта можно принять равным 2(D+L) — 3l (D — длина очистного забоя, L — длина участка выемочного столба, над которым к моменту опытных нагнетаний период опасных деформаций еще не закончился, t — расстояние от кровли пласта до низа испытуемого интервала. При этом предполагается, что периметр внешнего контура полости расслоения близок к внешней границе зоны разгрузки над выработанным пространством,
Опытные нагнетания воды в скважины на подработанных участках впервые были использованы И.В. Хохловым в Печорском каменноугольном бассейне. Однако, как уже отмечалось, из-за неучета влияния трещин расслоения и прямого сравнения величин удельных водопоглощений в скважинах до и после подработки при этом допускались значительные ошибки. Например, из зависимости (VII.4) видно, что даже при малых значениях rт и отсутствии гидравлической связи опробуемого интервала скважины с горной выработкой отношение удельных водопоглощений в одних и тех же породах до и после подработки о qп0/qц может достигать 10.
Метод расходометрического каротажа. Расходометрический каротаж достаточно надежно выявляет зоны притока и оттока воды в скважинах, а также соответствующие им расходы. Широко применяющиеся в практике скважинные расходомеры способны измерять расходы воды от 0,05—0,1 до 50 м3/ч с точностью ±1%. Благодаря этому они позволяют зафиксировать очень тонкие трещины, сообщающиеся с выработанным пространством и встреченные скважиной непосредственно или через трещины расслоения.
Характерный график расходометрического каротажа скважины после пересечения ею верхней границы зоны водопроводящих трещин приведен на рис. 77.
Гидрогеологические методы определения высоты зоны водопроводящих трещин и ее проницаемости

Расходометрический каротаж скважины на подработанном участке с целью определения высоты зоны водопроводящих трещин проводится в процессе бурения скважины по возможности не реже чем через каждые 10 м проходки; при более глубоком проникновении опытной скважины в зону водопроводящих трещин может не хватить воды для устойчивой работы расходомера. Метод расходометрического каротажа может эффективно применяться как в сухих, так и в обводненных породах, способных удерживать трещины расслоения. Применение расходометрического каротажа для определения высоты зоны водопроводящих трещин в осушенном массиве основывается на принципе сравнения удельных водопоглощений и требует бурения и каротажа двух скважин: одной — над целиком, а другой — на подработанном участке. В сравнении с другими методами, требующими изоляции наблюдаемых или испытуемых интервалов скважин, применение этого метода существенно сокращает затраты времени при более высокой точности определения верхней границы зоны водопроводящих трещин.
Метод наблюдении за поровым давлением. В глинистых породах со сравнительно низкой прочностью, в которых трещины расслоения быстро «закрываются», рассмотренные выше методы определения высоты зоны водопроводящих трещин могут оказаться неэффективными. В подобных случаях хорошие результаты дает метод наблюдения за изменением во времени перового давления. Этот метод базируется, прежде всего, на существенной разнице в скоростях снижения перового давления в зоне водопроводящих трещин и над нею. Разница в скоростях падения давления выше и ниже верхней границы зоны водопроводящих трещин проявляется как над очистной выработкой, так и над целиком. Поэтому наблюдения за изменениями давления в целях определения высоты зоны водопроводящих трещин можно вести и в стороне от зоны интенсивных сдвижений, что на практике иногда может оказаться предпочтительным. Разница в скоростях снижения давлений проявляется тем резче, чем сильнее фильтрационная анизотропия подрабатываемых глинистых пород.
Наблюдения за изменением давлений выполняются с помощью датчиков порового давления (мессдоз), установленных в скважине на участке опытной подработки до подхода к ней очистного забоя. Датчики располагаются в интервале возможного положения верхней границы зоны водопроводящих трещин. Расстояния между датчиками назначаются, исходя из требуемой точности определений положения этой границы, Одним из важнейших условий правильной установки датчиков является обеспечение их хорошего гидравлического контакта с породой вдоль стенки скважины и тщательная изоляция их от смежных участков скважины.
В массиве горных пород до начала проходки подготовительных выработок изменение давления P с глубиной H при постоянном напоре в пределах обводненной толщи (график 1 на рис. 78) выражается формулой
P = γ0(H-H0),

где H0 — глубина до естественного пьезометрического уровня в слое на глубине Н; γ0 — объемный вес воды.
Гидрогеологические методы определения высоты зоны водопроводящих трещин и ее проницаемости

После развития сети подготовительных выработок картина снижения давлений в их кровле может быть весьма сложной, но по любой вертикали изменение давлений с глубиной будет иметь характер графика 2 (см. рис. 78). Чем больше разрыв во времени между подготовительными и очистными работами, тем больше понижаются исходные давления на датчиках и соответственно менее ярко будет выявлена разница в скоростях их снижения в зоне водопроводящих трещин и над нею. В частности, если над кровлей глинистых пород не будет водоносного горизонта мощностью в несколько метров, то давления на датчиках к моменту подхода к ним зоны водопроводящих трещин могут оказаться равными нулю. В этом случае положение может быть исправлено предварительным обводнением участка установки датчиков через специальную скважину. В общем, чем больше давление воды над кровлей глинистых пород, тем больше и устойчивее величины исходных давлений на датчиках к моменту подхода к ним зоны водопроводящих трещин.
Исследования процесса снижения порового давления в подрабатываемом глинистом слое показали, что приближение зоны водопроводящих трещин к датчикам вызывает изменение давлений в точках их установки во времени соответственно графикам 3, 4, 5 на рис. 78. Переломы на таких графиках указывают на положение верхней границы зоны водопроводящих трещин. С течением времени зависимость давлений на датчиках, расположенных в подработанном глинистом слое или рядом с подработанным участком, будет стремиться к графику 6 на рис. 78.
Процесс уплотнения подработанной глинистой толщи сопровождается постепенным закрытием трещин, возникших при сдвижении, и повышением порового давления. Следовательно, продолжение наблюдений за поровым давлением может дать важную информацию о сроках восстановления водоупорных свойств глинистых слоев и о возможностях повторных подработок водного объекта.
Оценка проницаемости пород в зоне водопроводящих трещин. В зоне водопроводящих трещин поток воды всегда направлен главным образом по нормали к слоистости в сторону выработанного пространства. Следовательно, проницаемость в этом направлении имеет решающее значение при оценке притока воды в очистные выработки из водных объектов, захваченных зоной водопроводящих трещин.
В принципе водопроницаемость пород в зоне водопроводящих трещин может быть оценена с помощью опытных нагнетаний или наливов воды в скважины. Однако на практике наливы можно использовать только в самой верхней, наименее проницаемой части этой зоны. Для более глубоких участков требуются большие расходы воды. При этом точность оценки будет весьма низкой, так как, во-первых, при больших площадях выработанного пространства трудно оценить площадь фильтрации воды от скважины к выработке, а во-вторых, значительная доля давления столба воды в скважине может быть израсходована на преодоление сопротивления прискважинной зоны.
Исследования водопроницаемости пород подработанной толщи более целесообразно проводить путем поинтервальных нагнетаний не воды, а сжатого воздуха. При движении воздуха из нагнетательной скважины его плотность и давление на разных участках трещин расслоения будут очень мало отличаться от плотности и давления в скважине. Таким образом, трещины расслоения, расположенные на различных удалениях от выработанного пространства, очень удобны для создания между ними и выработкой потоков воздуха, фильтрующихся по нормали к слоистости, и определения соответствующих этим потокам средних коэффициентов фильтрации.
При герметично закрытом устье скважины, углубляющейся в зону водопроводящих трещин (не выходящую на поверхность), практически весь подаваемый в скважину воздух имеет только один выход — в выработанное пространство. Благодаря этому поинтервальные нагнетания воздуха в процессе бурения скважины можно выполнять без изоляции тампоном ее глубоких интервалов. Необходимо только, чтобы кондуктор оборудовался крышкой с уплотнительными соединениями для ввода и предотвращения утечек из скважины сжатого воздуха и установки прецизионного манометра, При невыполнении этих требований изоляцию опытной скважины необходимо выполнять тампонирующим устройством типа УКН, которое может быть установлено в любом наиболее удобном для этого интервале скважины над зоной водопроводящих трещин.
Перед опытным нагнетанием воздуха испытуемый интервал скважины промывается водой через буровой снаряд и интенсивно продувается. Давление продувки может быть доведено до 1—2 кгс/см2.
В процессе опытного нагнетания воздуха необходимо, так же как и при нагнетаниях воды, получить устойчивые — по крайней мере в течение часа — отсчеты расхода на каждой из ступеней напора. Разность напора воздуха в опытной скважине и в выработанном пространстве должна быть минимальной, но вместе с тем в 5—6 раз превышать колебания напора в системе. При практических оценках проницаемости зоны водопроводящих трещин с использованием воздуха потерями напора в скважине и трещинах расслоения можно пренебречь. Следовательно, фактически в каждом опыте, после соответствующего углубления скважины, оценивается средняя проницаемость зоны водопроводящих трещин. Проницаемость зоны трещин по нормали к слоистости больше над краями очистной выработки и меньше над центральной частью между забоем опытной скважины и кровлей зоны беспорядочного обрушения.
Средний коэффициент фильтрации пород в зоне водопроводящих трещин kтр можно оценивать и по результатам анализа накопленного опыта подработки данного водного объекта.
В общем случае
kтр = Δk + k0,

где Δk — увеличение среднего коэффициента фильтрации в зоне водопроводящих трещин по нормали к слоистости; k0 — средний коэффициент фильтрации толщи до подработки. Однако при малой проницаемости пород, например угленосных толщ, можно принимать, что kтр = Δk, Величины Δk, полученные по результатам опытных нагнетаний на шахте «Пионерка» и анализа случаев подработки затопленных выработок на тахте им. С.М. Кирова в Кузнецком бассейне, изменялись от 0,2 до 0,01 м/сут — на высотах от 33 до 71 м над выработками.
Вместе с тем, процесс фильтрации в зоне трещин, секущих слоистую толщу над очистной выработкой, исследовался на объемных моделях из эквивалентных материалов. Результатом этой работы явилась эмпирическая зависимость
Гидрогеологические методы определения высоты зоны водопроводящих трещин и ее проницаемости

где n — коэффициент с размерностью коэффициента фильтрации, соответствующий определенным горно-геологическим условиям; Мт — мощность зоны водопроводящих трещин; Mp — мощность зоны беспорядочного обрушения, примерно равная тройной мощности вынимаемого пласта; M — заданная мощность фильтрующей толщи в пределах зоны водопроводящих трещин.
Величины Mт, Mp и M измеряются от кровли очистной выработки. Формула (5) применима в случаях, когда Мр≤М≤Мт, так как выше зоны водопроводящих трещин при М≥Мт проницаемость пород по направлению к выработанному пространству остается практически равной естественной, т. е. Δk = 0. При M≤Мр проницаемость фильтрующей толщи будет очень большой.
Очевидно, что для оценки среднего значения коэффициента фильтрации зоны водопроводящих трещин kтр между различными ее горизонтами и верхней границей зоны беспорядочного обрушения необходимо предварительно определить величины Мр, Mт и n, характерные для испытуемого пласта. Значение Мр с достаточной достоверностью может быть оценено по данным бурения. Значение Mт следует определять одним из методов, рассмотренных выше. Значение коэффициента п можно легко вычислить по зависимости (VII.5), если кроме величин Mт и Mр известно хотя бы одно значение коэффициента kтр для толщи мощностью M над кровлей очистной выработки. Значение коэффициента kтр может быть получено по результатам натурного эксперимента либо по результатам анализа притоков, поступающих в действующие горные выработки из подработанных затопленных выработок или водных объектов.
Значения коэффициентов n, полученные по результатам натурных экспериментов и анализа случаев подработки выработок в Кузбассе, изменяются в пределах от 0,27 до 1,0 при среднем значении, равном 0,57 м/сут. Следует отметить при этом, что все полученные значения отличаются от среднего не более, чем в 2 раза. Следовательно, в принципе проведение одного опытного нагнетания воды или воздуха в зоне водопроводящих трещин позволяет, хотя бы приближенно, оценить величину коэффициента п и средние коэффициенты фильтрации для всех горизонтов M этой зоны. Конечно, чем больше будет проведено на подрабатываемых в идентичных горно-геологических условиях участках опытных нагнетаний или анализов случаев подработки водных объектов, тем точнее будет определен коэффициент n.
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