Введение к работе
Актуальность темы работы. Одно из направлений повышения эффективности угледобывающей промышленности тесно связано с рациональным использованием недр в части сокращения потерь угля в целиках различного назначения. Существенной составляющей при этом являются целики под водными объектами (руслами и поймами рек, озерами, искусственными водоемами, шламоотстойниками, обводненными породами и др.), запасы в которых только в Кузбассе составляют более 250 млн. т.
Вовлечение в эксплуатацию этих запасов связано со сложными процессами образования зон техногенных водопроводящих трещин в слоях подработанного массива горных пород. Для условий первичной и особенно повторной подработок водных объектов в настоящее время нет достаточно обоснованной геомеханической модели процессов образования зон трещин в массиве горных пород, гидравлически связанных с очистными выработками.
Повысить точность прогноза развития зон водопроводящих трещин как обоснование уменьшения потерь в целиках, а также управлять процессами, снижая степень нарушснности техногенными водопроводящими трещинами, можно на основе установления механизма деформирования и образования в подработанных слоях массива техногенных трещин, включая водопроводящие. Поэтому актуальность темы работы заключается в возможности определения условий выемки свит угольных пластов под водными объектами с минимальными потерями запасов в целиках и охране указанных объектов посредством геомеханического обоснования методов прогноза распространения в подрабатываемой толще зон водопроводящих трещин.
Цель работы - разработка научных основ оценки нарушенное массива горных пород техногенными водопроводящими трещинами и методов управления этими процессами, обеспечивающих оптимальные условия отработки угольных пластов под водными объектами: сокращение потерь угля в предохранительных целиках без снижения уровня безопасности ведения горных работ.
Идея работы заключается в выявлении и учете влияния горно-геологических факторов в геомеханических процессах образования зон водопроводящих трещин в условиях первичной и повторных подработках массива горных пород и определении закономерностей протекания этих процессов.
Задачи исследований:
-
Разработка и совершенствование способов специальных гидрогеологических исследований зон водопроводящих трещин И методов определения сдвижений и деформаций слоев массива горных пород, а также методики интерпретации результатов наблюдений при применении указанных методов.
-
Установление общих закономерностей сдвижений и деформаций слоев массива горных пород при его первичной и повторной подработках.
-
Разработка в качестве основы прогнозных расчетов геомеханической схемы протекания процессов деформирования толщи и образования в ней техногенных трещин, в том числе водопроводящих, при первичной и повторной подработках слоев.
-
Выявление зависимости интенсивности развития зон техногенных водопроводящих трещин от литологического состава пород, слагающих толщу, и от распределения в ней пород с различными физико-механическими характеристиками.
-
Для сложных горно-геологических условий протекания геомеханических процессов при повторных подработках определение закономерностей накопления деформаций кривизны на верхней границе зоны водопроводящих трещин и соответствующее этому накоплению изменение положения этой границы.
Методика исследований. Поставленные в диссертационной работе научные задачи решались путем комплексного применения следующих методов:
- анализ и обобщение опыта подработки водных объектов и
результатов исследований геомеханических процессов в массиве
горных пород;
- специальные гидрогеологические и геофизические методы
исследования физического состояния подработанных пород массива
и методы определения деформаций массива;
-имитационное моделирование условий деформирования слоев массива при его многократных подработках на образцах пород в процессе их испытаний на разрушение;
аналитические исследования напряженного состояния слоев массива горных пород с использованием теории кривых давления;
методы математической статистики для дисперсионного и корреляционного анализов.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. При выемке первого пласта свиты в массиве образуется
зона водопроводящих трещин (ЗВТ), представляющая собой две
взаимно перпендикулярные системы трещин техногенного характе
ра: трещин расслоения с последующим отслоением и сквозных нор
мальносекущих слои трещин.
В слоях над ЗВТ, в соответствии с распределением кривизны слоев обратно пропорционально квадрату расстояния до пласта, уменьшается проникновение нормальносекущих трещин. Первый слой с граничным значением кривизны, начиная с которого такие техногенные трещины проникли не на всю его мощность, принимается за верхнюю границу ЗВТ. Положение в массиве этого слоя с изгибом, равным граничной кривизне, зависит от литологического состава пород толщи и сочетания в ней местоположений слоев с различными физико-механическими свойствами.
2. Процессы сдвижений и деформаций в массиве горных по
род при повторных подработках протекают в пределах техногенных
структурных образований в слоях массива, сформировавшихся от
его первичной подработки. Вследствие этого в зоне полных сдвиже
ний изгиб вышележащего слоя повторяет изгиб нижележащего,
расширения массива в вертикальном направлении не происходит.
При этом величина кривизны любого слоя зависит не от его поло
жения относительно разрабатываемого пласта, согласно сущест
вующим представлениям, а от мощности толщи между разрабаты
ваемым пластом и поверхностью.
Многократные изгибы от повторных подработок, не превосходящие по величине граничную кривизну, способствуют образованию ядра текучести в ненарушенных нормальносекущими трещина-
ми участках слоя. Это увеличивает кривизну изгиба, при которой образуются сквозные нормальносекущие трещины.
3. За пределами зоны полных сдвижений, при различной степени совпадения границ выработок по пластам свиты, происходит соответствующее этому совпадению накопление деформаций массива. При превышении накопленными деформациями уровня, при котором образовались техногенные трещины, верхняя граница зоны водопроводящих трещин переместится в один из вышележащих слоев. Величина этого перемещения пропорциональна корню квадратному из указанного выше превышения накопленных деформаций.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается:
использованием обширного опыта подработки водных объектов, фундаментальных положений теории сдвижения массива горных пород и земной поверхности, механики горных пород, теории кривых давления, теории вероятности и математической статистики, теории ошибок;
данными комплексных экспериментальных исследований, включающих наблюдения за сдвижением глубинных (скважинных) реперов, специальные гидрогеологические и геофизические исследования;
сопоставимостью результатов теоретических исследований с результатами натурных и лабораторных экспериментов;
удовлетворительной сходимостью прогнозных параметров зон водопроводящих трещин с экспериментальными данными комплексных исследований;
положительными результатами практического использования разработанных методик расчета и рекомендаций по оптимальной выемке пластов под водными объектами.
Научная новизна заключается:
- в установлении зависимости граничной кривизны от совме
стного влияния литологического состава пород толщи и местополо
жения составляющих ее пород с различными физико-механическим
характеристиками. Первая составляющая определяется содержанием
в толще пород глинистого состава, вторая составляющая, согласно
теории кривых давления, определяется как относительное положс-
ниє центра давлений, передаваемых при изгибе слоев с определенными механическими характеристиками.
- в доказательстве того, что, в силу сформировавшихся
структурных техногенных образований от выемки первого пласта
свиты, распределение максимальной кривизны слоев при отработке
второго и последующих пластов свиты в пределах зоны полных
сдвижений зависит от мощности толщи над отрабатываемым пла
стом: кривизна любого из слоев толщи обратно пропорциональна
квадрату мощности толщи над отрабатываемым пластом. Много
кратные изгибы слоев от повторных подработок, не превосходящие
по величине граничную кривизну, увеличивают ее предельное зна
чение, как минимум, в 1,3 раза;
- в разработке расчетной схемы определения величины пере
мещения верхней границы ЗВТ в вышележащие слои в соответствии
с накоплением деформаций в массиве горных пород в процессе от
работок пластов в свите, где учитывается влияние на развитие ЗВТ
литологического состава пород толщи, сочетания в ней пород с раз
личными физико-механическими характеристиками и распределение
кривизны в повторно подрабатываемом массиве, что определяет
новую закономерность развития ЗВТ в пределах зоны полных сдви
жений.
Личный вклад автора состоит в организации, методическом руководстве и непосредственном участии в выполнении экспериментов в натурных условиях, лабораторных и аналитических исследованиях; разработке новых методов натурных исследований физического состояния массива; раскрытии механизма взаимосвязи деформаций и образования техногенных водопроводящих трещин в подрабатываемых слоях массива горных пород; установлении зависимостей для прогнозирования развития зон водопроводящих трещин для условий первичной и повторной подработок массива горных пород; разработке способов выемки пластов угля под водными объектами, основанных на управлении сдвижением и деформациями горных пород массива; в экспериментальном обосновании и теоретическом обобщении защищаемых научных положений.
Научное значение работы состоит в углублении и развитии представлений о геомеханических процессах в подрабатываемом
массиве горных пород при отработке свит угольных пластов, что позволило научно обосновать и разработать методы прогноза образования зон техногенных водопроводящих трещин и способы управления этими процессами под водными объектами. Практическое значение работы состоит:
в установлении зависимости граничной кривизны от лито-логического состава пород толщи и распределения в ней слоев пород с определенными механическими характеристиками, позволяющей существенно повысить точность прогноза местоположения слоя с кривизной равной граничной, то есть местоположение верхней границы зоны водопроводящих трещин при выемке угольного пласта;
в разработке методики расчета развития зон водопроводящих трещин для сложных горно-геологических условий выемки свит пластов под водными объектами, позволяющей оценивать степень нарушенное массива горных пород техногенными трещинами и управлять деформациями при решении вопросов обеспечения оптимальных условий отработки в пределах зоны опасного влияния водного объекта;
в разработке новых и усовершенствовании имеющихся методов получения физических характеристик подрабатываемого массива горных пород, позволяющих повысить объем и оперативность получения информации о геомеханическом состоянии слоев пород.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований использованы в следующих нормативно-методических документах:
-
Рекомендации по определению безопасных условий выемки свит пластов под водными объектами. Л.: ВНИМИ, 1987.
-
Методические указания по наблюдениям за сдвижением горных пород и за подрабатываемыми сооружениями. Л.: ВНИМИ, 1987.
Кроме, того, результаты исследований были внедрены как практические рекомендации по безопасной выемке свит пластов под водными объектами на шахтах «Западная», «Чертинская», им. Кирова, им ..Ярославского ПО «Ленинскуголь», на шахте «Красногорская» ПО «Гидроуголь», на шахте «Капитальная» ПО «Интауголь».
В соответствии с программой П-207-7-Д освоения Добруд-жанского угольного месторождения (Болгария) были составлены и переданы болгарской стороне рекомендации по безопасному ведению горных работ при выемке свит пластов под водоносными горизонтами месторождения, в которых использованы основные результаты выполненных исследований.
Элементы теоретических и методических разработок диссертации внедрены в учебный процесс в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) при чтении курсов «Маркшейдерское обеспечение безопасности работ вблизи опасных зон», «Статистические методы обработки маркшейдерских данных» для студентов специальности 090100 «Маркшейдерское дело»; «Основы охраны природных объектов и сооружений на поверхности при разработке МПИ» для специальностей 090200 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых».
Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Молодые ученые и специалисты Кемеровской области - народному хозяйству» (Кемерово, 1977); на Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых (Москва, ИПКОН АН СССР, 1980); на научно-технических конференциях «Молодые ученые Северо-Запада- горному производству» (Ленинград, ВНИМИ, 1981-83); на Всесоюзной научной конференции «Охрана геологической среды от отрицательного воздействия предприятий горнодобывающего профиля» (Москва, МГУ, 1983); на I Всесоюзном съезде инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов «Проблемы инженерной геологии, гидрогеологиии и геокриологии районов интенсивной инженерной нагрузки и охрана геологической среды» (Киев, ИГН АН УССР, 1988); на заседаниях секции сдвижения горных пород ВНИМИ (Ленинград, ВНИМИ, 1977-87); на научно-технических заседаниях кафедры шахтного строительства горного факультета Северо-Восточного университета (при прохождении шестимесячной научной стажировки в Китае, г.Шеньян, в 1995-96); на заседаниях кафедры маркшейдерского дела СПГГИ(ТУ) (Санкт-Петербург, 1996-99).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 работ, в том числе 1 монография, 12 авторских свидетельств на изобретения,
2 нормативно-методических документа.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 232 наименований^ том числе 8 иностранных, приложений, изложена на 253 страницах машинописного текста, содержит 78 рис. и 24 табл.
В первой главе приведен анализ состояния изученности проблемы, включающий рассмотрение опыта подработки водных объектов и результатов имеющихся непосредственных определений высоты зоны водопроводящих трещин в комплексе с определениями деформаций слоев массива. Во второй главе изложены специальные гидрогеологические и геофизические методы определения верхней границы зоны водопроводящих трещин и предложения по усовершенствованию этих методов. Третья глава посвящена исследованиям геомеханических процессов в подрабатываемых слоях массива, в результате которых образуются техногенные трещины, в том числе и водопроводящие.. В четвертой главе с учетом результатов натурных и лабораторных исследований разработана геомеханическая схема развития сдвижений и деформаций с образованием техногенных трещин. В пятой главе приведено теоретическое обоснование геомеханической схемы и на этой основе разработан прогноз развития техногенных водопроводящих трещин при первичной и повторных подработках. В шестой главе изложены технические приложения разработанной модели образования зон техногенных водопроводящих трещин к решению вопросов безопасной подработки водных объектов. Результаты производственного внедрения научных разработок показаны в седьмой главе.
