Введение к работе
Актуальность проблемы. Водопроявления при ведении горных работ относятся к ряду доминирующа факторов,ослокняющих строительство и эксплуатацию шахт. .
Себестоимость добычи угля при ухудшении гидрогеологических условий в пределах местороядения или даже шахты (Крь ..армейский район Донбасса, Западный Донбасс, Дьвовско-Волынский -Оссеин) возрастает в 1,3...2 раза. Резко (в 2,5...6,5 раа) сокращаются темпы проведения капитальных и подготовительных выработок при пересечении водоносных пород елабомвтаморфизованной 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. Последнее характеризуется одновременным наложением полей напряжений, деформаций, напоров подземных вод и скоростей их фильтрации.
В связи С' этил, 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-
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.
-
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.
-
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".
-
Интенсивность водозащитных функций подрабатываемых гор-
ных пород возрастает нелинейно величинам: эффективного диаметра фракций водо содержащих 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 трещинообраэо-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 взаимоконкурирущие 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 пород 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 совокупным 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 крат-ности-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 выделения зон гидрогеомеханичес-кой перегрузки породного массива по литологическим контактам; определены размеры зон, в которых деформирование выработки предотвращается дифференцированно: гидравлической разгрузкой массива . через схвежины, увеличением сопротивления крепи или дренажем пород, залегающих 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 геофильтрационшго мониторинга породного массива, включающая дренажную разгрузку слабой зоны и последующий подпор между крепью и сводом породного контура;
- обоснованы параметры формирования геофильтрационного барь
ера вблизи пластового штрека, а также технологические параметры
управления геофильтрационным 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 выполыенных 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.II.1987 г., введена в действие с 01.01.1990 г.). Разработки отдельных этапов теоретических и экспериментально-производственных исследовании 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 Днепроггарошахт). 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 1936-1992 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 'Теомеханические 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, 1982), 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 ~~^5.нич, шести глав, заключения, списка литературы из 295 на:е/ .ланий и приложений. Содержит 288 страниц машинописного текста, 122 рисунка и 21 таблицу.
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.
