Условия выемки угольных пластов под водными объектами Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Н.А. Митишова, 2002

УДК 622.55

Н.А. Митишова УСЛОВИЯ ВЫЕМКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ПОД ВОДНЫМИ ОБЪЕКТАМИ*

Вопросы выемки угля под водными объектами, связанные с их охраной и безопасностью труда подземных рабочих, являются весьма актуальными. По данным Г осгортехнадзора России, на угольных шахтах ежегодно происходят десятки прорывов с подтоплением выработок и приостановлением горных работ. За последние 2530 лет произошло более 100 (только известных) прорывов воды, при которых погибли сотни человек. Так, например, на шахте «Буланаш» №2/5 АО «Вахрушевуголь» в результате подработки лавой затопленной выработки шахты произошло разрушение барьерного целика, и действующая лава была затоплена. Причиной аварии явилось обрушение непосредственной кровли в результате развития системы сквозных трещин до обводненных пород ранее отработанной лавы.

Очевиден экономический ущерб, наносимый предприятиям в результате прорывов воды, поскольку наличие воды в выработке резко изменяет горно-геологическую среду, условия выполнения работ.

Эти проблемы очень обострились в связи с небывало высокими темпами и крупными масштабами закрытия и затопления угольных шахт. Только на сегодняшний день в России закрыто 170 угольных предприятий. Но научнообоснованной нормативной и методической базы ведения горных работ под затопленными шахтами пока нет. Существующие нормативные документы ориентированы преимущественно на ликвидацию отдельного предприятия. В связи с этим возникает необходимость определении критериев допустимой выемки угольных пластов под затопленными шахтами в современных условиях.

В общем случае основным критерием подработки водных объектов является безопасная глубина горных работ, определяемая по формуле Не = К т ,

где Ке - коэффициент безопасности, выбираемый из соответствующих таблиц «Правил» или «Указаний» в зависимости от состава и свойств горных пород, угла падения пластов, значения и размеров объекта; т - вынимаемая мощность пласта. Значения коэффициентов Ке, приведенные в «Правилах» и «Указаниях», установлены преимущественно опытным путем и колеблются в весьма широких пределах, что объясняется спецификой месторождений, особенностями состава, структуры, степенью развития трещиноватости толщи пород, а также рядом других причин.

Источниками прорывов воды в горные выработки шахт могут являться поверхностные, подземные и шахтные воды, а также воды разведочных и технических скважин и другие.

Рассмотрим их более подробно.

*Работа выполнена под научным руководством проф., доктора технических наук М. А. Иофиса

Поверхностные воды, участвующие в формировании прорывов, включают в себя реки, озера, водохранилища шахт, хвостохранилища, нагорные канавы.

К подземным водам относятся воды, приуроченные к водоносным слоям коренных и покровных отложений, трещиноватым и раздробленным породам зон тектонических нарушений, карстовым полостям, горельни-кам на выходах угольных пластов.

Шахтные воды как источник прорыва, представляют собой скопление воды выше горизонта ведения горных работ, приуроченных к погашенным подготовительным выработкам, выработанному пространству лав, отработанному пространству смежных пластов и соседних шахт.

Разведочные и технические скважины могут быть как источником локального и ограниченного по объему прорыва содержащейся в них воды, так и коллектором для прорыва поверхностных, подземных и шахтных вод.

Вода, применяемая в технологии угледобычи, _ при гидрозакладке, отбойке и транспортировке угля, тушении пожаров и для многих других целей, при нарушении технологии скапливается в горных выработках.

Вода в смеси с глиной, песком и другими породами в виде пластичной массы, которая прорывается и заиливает, или заполняет (буквально запечатывает) выработки.

Основными факторами, влияющими на вероятность проникновения воды, являются относительная глубина подработки, состав, свойства, чередуемость и угол падения пород, степень их тектонической нарушенности, количество разрабатываемых пластов, взаимное расположение горных выработок и водного объекта.

Методы защиты горных выработок от внезапного проникновения в них воды, рекомендуемые ныне действующими «Правилами безопасности в угольных и сланцевых шахтах» и «Правилами технической эксплуатации угольных и сланцевых шахт», являются эффективными мерами в случае водозащиты от известных нам водных объектов.

В связи с массовым закрытием угольных шахт, которое производится, как правило, «мокрым способом», было установлено, что в результате затопленной оказывается не только полость выработки, но и значительная часть подработанной и надработанной толщи. В связи с этим последующее ведение горных работ на нижележащих пластах требует специального подхода. Анализ случаев подработки затопленных шахт показал, что глубина проникновения воды из затопленной выработки в надработанную часть простирается до зоны фильтрующих трещин. В соответствии с этим при подработке затопленной выработки безопасную глубину горных работ Не необходимо отсчитывать от зоны фильтрующих трещин надработанной толщи [1] (см. рисунок).

Анализ случаев подработки водных объектов показал, что в практике горного дела работы под этими объектами ведутся в весьма широком диапазоне условий: от абсолютно безопасных до весьма опасных. Для облегчения оценки ус-

ловий горных работ и выбора мер защиты горных выработок от затопления нами составлена классификация условий ведения горных работ под водными объектами. В качестве основного классификационного признака принята способность подработанного массива пропускать воду, выраженная М

отношением-------, где М - расстояния от почвы водного

Лтах

объекта до кровли разрабатываемого пласта, г/тах - величина максимального оседания водоупорного слоя. С этим связаны образующиеся в процессе подработки типы каналов, способных проводить воду. Условие образования сквозной трещины можно представить в виде [2]

0,5 h =

0,%(е- ек р)

(1)

Максимальное значение е проф. С.Г. Авершин рекомендует определять из выражения

етах = ^е, (2)

где Се - коэффициент, зависящий от свойств горных пород, колеблется в пределах от 2 до 4; £ - максимальное горизонтальное сдвижение, определяемое из выражения

£тах = а * Чтах , (3)

а - коэффициент равный для большинства горных пород 0,3; Ь - половина длины изгибающейся части слоя.

Приняв среднее значение Се = 3 и подставив в формулу (1) выражения (2) и (3), после небольших преобразований получим

Области и зоны влияния очистной выработки затопленной шахты: А

- затопленная выработка; Б, В, и Г - подработанные ею пласты; Д - разрабатываемый пласт: 1, 2, 3—16 - зоны деформирования: 1 - обрушения; 2 и 9 -сквозных трещин; 3 и 10 - фильтрующих трещин; 4 и 11 - локальных трещин; 5 и 12 - плавных деформаций; 6 и 8 - опорного давления; 7

- предельно напряженного состояния; 13, 14, 15 - разнонаправленных деформаций приповерхностных слоев; 16 - сползания слоев

V»-' •

(4)

Величина L равна длине полумульды сдвижения, которая при полной подработке слоя определятся из выражения L = 2МС^з,

где М - мощность междупластья (расстояние по нормали от горной выработки до рассматриваемого слоя); у3 - угол полных сдвижений, равный для большинства угольных месторождений 550.

Отсюда L = 1,4 М

Подставив полученное значение L в формулу (4), найдем предельный прогиб слоя, при котором в этом слое начинают образовываться сквозные водопроводящие трещины:

?]тах 3,5'екр'М

Формулу (6) можно переписать в виде М 0,285

(5)

(6)

'кр

Таким образом, основным условием безопасной отработки полезных ископаемых под водными объектами является

условие

М

0,285

>-------. Принимаем его в качестве крите-

Лтах екр

рия для класса средней опасности. При определении границ между классами использованы значения расчета величин

относительных горизонтальных деформаций 8, которые согласно «Правилам охраны» составляют 1,3, т.е. изменяют 0,285

величину

от класса к классу примерно на 30 %. Так,

кр

класс «Опасных условий» будет характеризоваться неравен-

0,285 М 0,285 ством отношений 0,7--------<-------<-------, класс «Весьма

кр

Лмах

кр

0,285 М

опасных» будет представлен, как 0,5------------------<-------<

кр

Лмах

0,285

0,7-------. Класс «Весьма опасных условий» разделяем на

екр

две группы, и группу «Катастрофических прорывов»

М 0,285 описываем условием ---------<0,5-----

Лмах

Далее от класса

кр

средней опасности переходим к классу малоопасных и с учетом выбранного коэффициента перегрузки получаем

0,285 М 0,285

следующее условие: 1,3-------<---------<1,6------. В классе

екр Лмах екр

«Безопасных условий», являющемся граничным, также характеризуем каждую из подгрупп. Так, группа «Притоки воды, не

ь

КЛАССИФИКАЦИЯ УСЛОВИЙ ПОДРАБОТКИ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

Класс условий Группа Характеристика Меры защиты

1 Весьма опасные 1.1. Катастрофические прорывы М <05 0,285 лмах екр сквозные воронки 1. Оставление предохранительных целиков 2.Полная закладка выработанного пространства

1.2. Прорывы с полным затоплением выработок 0,285 М 0,285 0,5 ’ < <0,7 ’ екр Лмах екр сквозные водопроводящие каналы

2 Опасные 2.1. Притоки воды, превышающие возможности водоотлива шахты 2.2. Притоки воды, превышающие возможности водоотлива участка 0,285 М 0,285 0,7 ’ < < екр Лмах екр сквозные водопроводящие трещины 1.Усиление системы водоотлива 2.Горные меры охраны: - уменьшение вынимаемой мощности пласта; - изменение технологии выемки угля и др.

3 Средней опасности 3.1.Притоки воды, при которых водоотлив шахты работает в предельном режиме 3.2. Притоки воды, при которых справляется водоотлив участка работает в предельном режиме 0,285 М 0,285 — < <1,3— ел е кр / мах кр фильтрующие трещины 1.Тампонирование трещин 2. Создание резервного водоотлива

4 Малоопасные 4.1. Притоки воды, при которых водоотлив шахты работает в нормальном режиме 4.2. Притоки воды, при которых водоотлив участка работает в нормальном режиме 0,285 М 0,285 1,3— < <1,6— ел е кр / мах кр локальные трещины 1.Мониторинг 2.Профилактические работы по очистке дренажных устройств

5 Безопасные 5.1. Притоки воды, не оказывающие заметного влияния на водоотлив шахты и участка 0,285 М 0,285 1,6— < <2,0— ел е кр / мах кр разуплотнение массива 1.Профилактический осмотр состояния выработок и дренажных устройств

5.2. Отсутствие притоков воды М >2 0 0,285 Л мах е кр прогиб пород без разрыва сплошности

оказывающие заметного влияния на водоотлив шахты и участ-

0,285 М 0,285 ка» характеризуется 1,6------<-------<2,0--------,

-кр

М

а группа «Отсутствие притоков воды»----------->

Лмах

> 2,0-

0,285

кр

Правомерность данных соотношений подтверждается установленными ранее наблюдениями: при двукратной безопас-

ной глубине вода в горную вы работку не поступает, а при величине, равной половине безопасной глубины, - происходит катастрофический прорыв. В классификации (таблица) приведены виды трещин, по которым происходит проникновение воды в условиях каждой из групп опасности.

Использование данной классификации позволяет оперативно составлять прогноз, в какой степени опасности находится горная выработка и, в случае необходимости, своевременно принять упреждающие меры защиты от затопления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Навитний А.М., Иофис МА., Айруни А.Т. Опыт разработки угольных пластов под инженерными и природными объектами: Обзор/ЦНИЭИуголь. - М., 1987.

2. Попов В.Н., Иофис МА., Орлов Г.В. Оценка и прогноз геомеханического состояния подработанного слоистого массива горных пород. Материалы 4 Международ-

ной конференции маркшейдеров. Польша, 1997.

3. Турчаников ИА., Иофис МА., Кас-парьян Э.В. Основы механики горных пород. - Л.: Недра, 1977.

4. Иофис М.А., Шмелев А.И. Инженерная геомеханика при подземных разработках. - М.: Недра, 1985.

5. СНиП 2.06.14-85. Защита горных выработок от подземных и поверхностных вод. М., Госстрой СССР, 1985.

6. Безопасная выемка угля под водными объектами/ Б.Я. Гвирцман, Н.Н. Кац-нельсон, Е.В. Бошенятов и др. - М.: Недра, 1977.

7. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния под-

земных горных разработок на угольных месторождениях. СПб, 1998.

8. Правила технической эксплуатации угольных и сланцевых шахт. - М.: Недра, 1976.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Митишова Н.А. — аспирантка, ИПКОН РАН.