CC BY
64
УДК 624,131:551
Ю.А.НОРВАТОВ, д-р геол.-минерал, наук, главный научный сотрудник, post(ä.spmi ru И.Б.ПЕТРОВА, канд. геол.-минерал, наук, ведущий научный сотрудник, postûvspmi.ru Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет)
Ju.AJVORVATOV. Dr. in geol.-min sc.. chief research assistant, post(a\spmi.ru I.B.PETROVA. PhD in geol.-min sc.. leading research assistant, postfâ-spmi.ru Saint Petersburg State Mining Institute (Technical University')
ГИДРОГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЗАТОПЛЕНИИ ШАХТ
Рассмотрены гидродинамические и тидротеомеханические процессы, развивающиеся при затоплении угольных шахт. Предложена оригинальная схема - модель деформирования вод о насыщенного массива техногенной структуры для оценки поднятий земной поверхности.
Ключевые слова: затопление шахт, гидрогеомеханика, нейтральное напряжение, разуплотнение пород, поднятие поверхности, расчетная 'зависимость.
HYDROGEOMECHANICAL PROCESSES IN FLOODING OF MINES
Hydrodynamic and hydrogeomechanical processes which may occur during flooding of coal mines are considered. Original scheme - model of strain state of waterbearing undermined massif for estimation of uplift of earth surface was suggested.
Key words: flooding of mines, hydrogeoinechanics. neutral stress, softening of rocks, uplift of the earth's surface, calculating relation.
В период реструктуризации угольной промышленности в России было ликвидировано путем затопления более двухсот шахт. Затопление шахт сопровождается существенным изменением сформированного при ведении подземных горных работ гидродинамического режима подземных вод [2] и соответствующим изменением напряженного состояния подработанных породных массивов.
При ведении подземных горных работ системами с управлением кровлей полным ее обрушением над выработанным пространством формируются водопроводящие трещины, нормальные напластованию и гидравлически активно с ним связанные Выработанное пространство, заполненное обрушенными породами, и зона водопрово-
дящих трещин над ним в период эксплуатации шахты остаются практически полностью сдренированными. Водопритоки в шахту в общем случае формируются за счет приповерхностного водоносного комплекса, приуроченного к покровным отложениям и к зоне повышенной трещиноватости, развитой в верхней части угленосной толщи. Как правило, между верхней границей зоны во-допроводящих трещин и нижней границей приповерхностного водоносного комплекса подработанная угленосная толща характеризуется относительно низкой проницаемостью вкрест напластования. Притоки подземных вод поступают из приповерхностного комплекса в выработанное пространство по его площади путем перетекания через слабопроницаемую пачку, в которой фор-
Гидрогео механическая схема подработанного массива: положение уровней подземных вод приповерхностного водоносного комплекса при естественном режиме (1) и в период эксплуатации шахты (2); эпюры гидростатических давлении в подработанном массиве в период эксплуатации шахты (3) и при полном затоплении горных выработок (4); эпюры пьезометрических напоров в подработанном массиве в период эксплуатации шахты (5) и при полном
затоатении горных выработок (6)
мируется нисходящий поток. Часть общего притока подземных вод в шахту формируется за счет непосредственного их поступления из приповерхностного комплекса на участках залегания разрабатываемых угольных пластов на минимальных глубинах - на этих участках водоносный комплекс вскрывается водопроводящими трещинами.
В соответствии с рисунком, уровни приповерхностного водоносного комплекса в период развития горных работ оказываются сниженными, по сравнению с их естественным залеганием (1) до положения (2).
Таким образом, в период эксплуатации шахт подработанный породный массив рассматривается как частично водонасыщен-ный в пределах приповерхностного водоносного комплекса (I), полностью водона-сыщенный в пределах слабопроницаемой пачки (II) и полностью сдренированный в пределах зоны водопроводящих трещин и
выработанного пространства, заполненного дезинтегрированными породами (Ш).
Напряженное состояние массива в пределах водонасыщенных зон определяется воздействием на породный скелет объемных гравитационных, гидростатических и гидродинамических сил. Эффективное напряжение в породном скелете может быть выражено известной формулой К.Терцаги [1,3]:
°э=0п-°н> (О
где стп- полное напряжение, соответствующее весу столба пород вместе с водой над расчетной точкой массива и внешним силам, действующим на массив (в частности -тектоническим силам); ан - нейтральное напряжение, соответствующее гидростатическому давлению в расчетной точке.
Эпюра распределения гидростатических давлений (3) характеризует напряженное состояние водонасыщенной части мас-
232 -
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.185
сива в период эксплуатации шахты. Эпюра распределения гидростатических давлений (4) характеризует напряженное состояние массива в естественных условиях или при полном затоплении горных выработок.
В соответствии с формулой (1) изменение эффективных напряжений в породном скелете определяется зависимостью
До»=Доп-Дон- (2)
В период ведения подземных горных работ происходит снижение гидростатических давлений (по сравнению с их распределением в естественных условиях) на величину Дон, поэтому эффективные напряжения в породном скелете повышаются согласно формуле (2) на величину Ааэ. Повышение эффективных напряжений влечет за собой компрессионные деформации скелета
Процессы оседания земной поверхности за счет компрессионного уплотнения пород изучались ранее применительно к прогнозным оценкам оседаний земной поверхности при водопонижении, отборе нефти и газа [1,3] При ведении очистных работ на шахтах уплотнение скелета наряду с деформациями сдвижения породного массива определяют соответствующие оседания земной поверхности
При затоплении горных выработок в процессе ликвидации шахт в подработанном массиве повышаются гидростатические давления и соответствующие пьезометрические напоры. Распределение пьезометрических напоров в подработанном массиве при эксплуатации и при затоплении шахты представлены на рисунке.
Повышение гидростатических давлений на величину Дрг - Дсн „ в любой точке во-
донасыщенного массива согласно формуле (2) приводит к снижению эффективных напряжений на величину Дсэ г и соответствующему разуплотнению пород глинистого состава (с податливым скелетом).
Таким образом, при затоплении шахт возможны поднятия земной поверхности, обусловленные обсуждаемыми гидрогеоме-ханическими процессами. Однако наблю-
даемые при затоплении шахт в Анжеро-Судженском районе Кузбасса и в Рурском бассейне незначительные поднятия земной поверхности не соответствуют теоретическим представлениям об их возможных масштабах.
В связи с этим необходимо иметь ввиду, что подработанный породный массив характеризуется техногенной структурой, поэтому он должен быть схематизирован как среда, представленная породными блоками в совокупности с техногенными трещинами расслоения и нормальными напластованию При повышении гидростатических давлений происходит разуплотнение пород в блоках, которое компенсируется частичным или полным сокращением пус-тотности трещинного пространства.
Известно, что общий объем трещинного пространства подработанных массивов может быть определен через так называемый коэффициент пустотности; этот объем изменяется в пределах (0,15-0,3)/«, где т -мощность вынутого пласта угля [2]. В связи с особой блочной структурой подработанного массива его деформации при повышении гидростатических давлений принципиально отличаются от деформаций водонасьицен-ных массивов, рассматриваемых обычно в рамках схемы сплошной среды.
Мерой деформации породного скелета при изменении гидростатических давлений (или пьезометрических напоров) может служить коэффициент упругоемкости водо-насыщенных массивов р.
Для ориентировочных расчетов коэффициент упругоемкости водоносных массивов можно оценить по зависимости [3]:
где 2 - глубина залегания расчетного слоя пород, м.
Поскольку значения коэффициента (3 соответствуют снижению или повышению пористости породы при повышении или снижении пьезометрических напоров на 1 м, то деформацию единичного объема породы в блоках можно выразить зависимостью
Де,=Р,Д//,=Р,Дд, (4)
где АН, - расчетное изменение пьезометрического напора, соответствующее расчетному изменению гидростатического давления, выраженного в метрах водяного столба.
Следовательно, поднятие земной поверхности Г| при полном затоплении шахт следует оценивать с учетом упругоемкости породных блоков и техногенной пустотно-сти подработанного массива по зависимости
Г| = 0,5рДЯ2 -(0,15-0,3)»!, (5)
где Р - среднее значение коэффициента упругоемкости подработанного массива; ДН— максимальное повышение пьезометрических напоров в подработанном массиве.
Очевидно, что поднятие земной поверхности при затоплении конкретной шахты возможно лишь при выполнении условия
0,5рДЯ2 >(0,15-0,3)»?. (6)
Вместе с тем, зависимость (5) можно рассматривать как общую схему - модель деформирования водонасыщенных массивов, характеризующихся техногенной блочной структурой. Анализ таких массивов в рамках схемы сплошной среды может приводить к грубым ошибкам в прогнозных оценках поднятия земной поверхности.
Следует однако отметить, что использование предлагаемой схемы - модели деформирования подработанных массивов блочной структуры для прогноза поднятий
земной поверхности сопряжено с преодолением определенных трудностей. В частности, для уточненного прогноза деформирования массива необходима предварительная дефференцированная оценка изменения пустотности подработанного массива и коэффициентов упругоемкости пород в разрезе, а также оценка изменений в разрезе содержания глинистых пород, подверженных деформациям разуплотнения за счет повышения гидростатических давлений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мироненко В.Л. Основы гидрогеомеханики / В.А.Мироненко, В.М.Шестаков. М,: Недра. 1974.
2. Норватов Ю.А. Методическое руководство по прогнозу гидрогеологических условий ликвидации угольных шахт и обоснованию мероприятий, обеспечивающих предотвращение негативных экологических последствий / Ю.А.Норватов, И.Б.Петрова; ВНИМИ. СПб, 2008.
3. ШестакоеВ.М. Гидрогеомеханика. М.: Изд-во МГУ, 1998.
REFERENCES
1 .MironenkoVA., ShestakovVM. Foundations of hydrogeomechanics. Moscow: Nedra, 1974.
2, Norvatav JuA., Petrova I B. Methodical manual for estimation of abandonment conditions of liquidation of coal mines and substantiation of measures for prevention negative ecological aftereffects / VNIMI. Saint Petersburg, 2008.
3. Shestakov V.M. Hydrogeomechanics. Moscow: MSU, 1998.
234 -
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. T.185
