CC BY
0УДК 622.83:622.016
В. А. Дрибан, Б. В. Хохлов, С. В. Голдин, А. В. Антипенко
АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И МОДЕЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА В УСЛОВИЯХ ЗАТОПЛЕНИЯ
В статье приведен анализ экспериментальных и модельных исследований обводнения массива горных пород на примере затопления вертикального вспомогательного ствола шахты им. Ф. Э. Дзержинского.
Ключевые слова: обводненный массив, уровень затопления, напряженно-деформированное состояние массива, устойчивость крепи шахтного ствола, имитационное моделирование.
Введение
В процессе реструктуризации угольной промышленности Донбасса происходит массовое закрытие угольных шахт. В большинстве случаев горнодобывающие предприятия ликвидируются с частичным или полным затоплением выработанного пространства [1] - [5].
В процессе затопления происходит обводнение и водона-сыщение трещиноватых подработанных массивов, что приводит к изменению физико-механических свойств горных пород и, как следствие, к перераспределению гидрогеологических режимов и активизации негативных геомеханических процессов в толще вмещающих пород [6] - [8].
В связи с этим особую актуальность приобретают вопросы формирования и трансформации напряженного состояния обводненного массива горных пород на основе экспериментальных и модельных исследований по изучению изменений как физико-механических характеристик массива, так и параметров горных выработок подверженных влиянию затопления [9] - [11].
Постановка вопроса
Объект исследования - процесс трансформации и деформирования околоствольного массива горных пород при затоплении шахтного ствола.
Целью работы является определение изменений прочностных и деформационных параметров водонасыщенных пород на основе экспериментальных и модельных исследований для разработки аналитической модели формирования и трансформации напряженного состояния обводненных массивов горных пород при отработке свиты пластов.
Экспериментальные и модельные исследования проводились в вертикальном вспомогательном стволе шахты им. Ф. Э Дзержинского, расположенного практически в центре исследуемого блока.
Методы и материалы исследований
В данной работе применялся комплексный метод исследования, включающий экспериментальные натурные наблюдения в вертикальном шахтном стволе и модельные исследования по имитации его затопления.
Шахта им. Ф. Э. Дзержинского расположена в Должано-Ровеньковском геолого-промышленном районе Восточного Донбасса. По административному делению шахта расположена на территории Свердловского района Луганской Народной Республики Российской Федерации.
Участок шахты им. Ф. Э. Дзержинского расположен в южной половине пиковой части Должано-Садкинской котловины. Ось котловины имеет плавное погружение с северо-запада на юго-восток.
В геологическом строении шахтного поля принимают участие осадочные отложения свит С23, С24, С25 среднего карбона, перекрытые рыхлыми осадками четвертичного периода. По лито-логическому составу среди пород карбона преобладают сланцы песчаные и песчаники. Состав свит характеризуется следующим соотношением литологических разностей, слагающих ее пород:
- сланцы глинистые 250 м (20,5 %) прочностью 30-40 МПа;
- сланцы песчаные 540 м (44,1 %) прочностью 50-70 МПа;
- песчаники 400 м (33,0 %) прочностью 80-150 МПа;
- известняки до 5 м (0,4 %) прочностью 90-100 МПа;
- угли до 24 м (2,0 %) прочностью 15 МПа.
Каменноугольные породы на преобладающей части площади участка имеют спокойное моноклинальное залегание. Падение пород - северное, переходящее вблизи оси котловины - северовосточное. Углы падения колеблются от 25 - 30° в юго-восточной части площади до 0° вблизи оси котловины. Общее простирание пород северо-западное.
Вертикальный вспомогательный ствол шахты им. Ф. Э. Дзержинского (рис. 1) пройден буровзрывным способом в 1965 г. в отложениях среднего карбона, залегающих под четвертичными, мощностью 6,0 м, отложениями. Ствол грузо-людской, служил для спуска и подъема людей, оборудования и материалов. Форма сечения круглая, диаметр ствола в свету 5,0 м, в проходке 5,7 м. Площадь сечения ствола в свету -8св. = 19,6 м2, в проходке - 25,5 м2. Толщина постоянного бетонного крепления - 350 мм. Полная глубина от поверхности с зумпфом 1062,0 м, глубина зумпфа ствола 20 м. Армировка -жесткая с металлическими проводниками Р-43, шаг армировки -3126 мм. Расстрелы - двутавровая балка.
Устье ствола до глубины 2,9 м закреплено кирпичной кладкой толщиной 400 мм. Ниже до глубины 16,5 м устье закреплено железобетоном толщиной 400 мм. Устье заканчивается бетонным опорным венцом толщиной 1,8 м на глубине 19,7 м. От опорного венца с глубины 16,5 м до опорного венца на глубине 40,0 м ствол закреплен железобетонными тюбингами.
На этом участке 16,5-40,0 м расположенном в мелкозернистом, сильно обводненном песчанике, четыре раза (в 1966 г. май
V = 646 м3, июль V = 400 м3, ноябрь V = 860 м3, в 1968 г. февраль
V = 150 м3) производилась последующая цементация, в результате которой приток воды в ствол снизился с 80 м3/час до 2 м3/час. Ниже глубины 40 м и до глубины 1062,0 м ствол закреплен бетоном с толщиной постоянного крепления 350 мм.
В протяженной части ствола имеются четыре сопряжения с горными выработками:
- одностороннее сопряжение вертикального ствола с ходком на 21-й вентиляционный штрек пласта ¡3 шахты № 5 шахтоуправ-
ления "Ворошиловское", почва на глубине 289,54 м (абсолютная отметка +5,66 м), высотой 6,265 м и шириной 5,0 м;
- двухстороннее сопряжение вертикального ствола с квершлагом № 4 на 28-й откаточный штрек пласта ¡3 шахты № 5 шахтоуправления "Ворошиловское", почва на глубине 337,5 м (абсолютная отметка минус 42,3 м), высотой 6,3 м и шириной 5,2 м;
- двухстороннее сопряжение вертикального ствола с руд-двором на глубине 1027 м, абсолютная отметка минус 731,8 м, высотой 6,3 м и шириной 5,2 м;
- одностороннее сопряжение вертикального ствола с ходком на грузовой уклон, на глубине 1045 м, абсолютная отметка минус 749,8 м, высотой 6,0 м и шириной 5,0 м.
клеть
Рис. 1 - Сечение вертикального вспомогательного ствола шахты им. Ф. Э. Дзержинского
Для определения и оценки фактического состояния крепи ствола, в рамках экспериментальных натурных исследований, было проведено визуальное обследование устья ствола и калориферного канала, а также телеметрическое обследование протя-
женной части ствола. В результате обследования вертикального ствола с помощью аппаратуры телевизионного мониторинга вертикальных стволов и скважин АТМС, повреждений крепи геомеханического характера в стволе не обнаружено. Отсутствие тре-
^ к II
щин и отслоений говорит о том, что система "крепь-массив" работает синхронно, без деформаций. Крепь вертикального вспомогательного ствола находится в удовлетворительном состоянии, что, по классификации РАНИМИ, оценивается в один балл. По паспорту ствола, за время его эксплуатации нарушений крепи выявлено не было.
Для создания аналитической модели формирования и трансформации напряженного состояния обводненных массивов горных пород и анализа динамики геомеханической ситуации во вмещающем вертикальный ствол горном массиве было выполнено имитационное моделирование его затопления с определением необходимой расчетной крепи при различных уровнях воды [3], [4] (рис. 2).
Моделирование затопления ствола проведено от сухого состояния (уровень воды 1000 м, минус -704,8 м) до уровня воды по глубине ствола 50 м (абсолютная отметка + 245,2 м).
Как видно из приведенных графиков, во вспомогательном стволе пик точечного несоответствия необходимой и расчетной толщины крепи (в районе сопряжения ствола с квершлагом № 4 почва на глубине 337,5 м) сохраняется до глубины затопления ствола 300 м, при этом, качественно не увеличиваясь, т.е. нагрузки дополнительно не растут. При затоплении ствола выше глубины 300 м вес водяного столба практически полностью компенсирует негативное влияние падения прочностных свойств вмещающих пород в районе двухстороннего сопряжения.
Второй пик точечного несоответствия необходимой и расчетной толщины крепи (в районе пересечения стволом угольного пласта ¡3 мощностью 1,3 м на глубине 296,6 м и сопряжения с ходком на 21-й штрек (почва на глубине 289,54 м)) сохраняется до глубины затопления ствола 240 м. При затоплении ствола выше глубины 240 м вес водяного столба полностью компенсирует негативное влияние падения прочностных свойств вмещающих ствол пород в районе пласта ¡3.
Рис. 2 - Графики результатов моделирования затопления вертикального вспомогательного ствола шахты им. Ф. Э. Дзержинского
Результаты исследований
Анализируя графики результатов моделирования затопления вспомогательного ствола (см. рис. 2), можно отметить, что все локальные несоответствия фактической и расчетной толщины крепи компенсируется весом водяного столба с глубины затопления 240 м.
По результатам анализа моделирования затопления вспомогательного ствола можно сделать следующие выводы.
1. В процессе затопления наибольшее несоответствие расчетной толщины крепи и фактической отмечаются в районе пересечения стволом угольного пласта ¡3 мощностью 1,3 м на глубине 296,6 м и одностороннего сопряжения с ходком на 21-й вентиляционный штрек пласта ¡3 (почва сопряжения на глубине 289,54 м).
2. Имеется так же несоответствие локального характера в районе двухстороннего сопряжения ствола с квершлагом № 4 на 28-й откаточный штрек пласта ¡3 (почва сопряжения на глубине 337,5 м).
3. Описанные выше несоответствия расчетной толщины крепи фактической не реализовались в процессе эксплуатации ствола в виде нарушений крепи.
Выводы
На основании детального анализа геологических, гидрогеологических и геомеханических условий, проведенных экспериментальных исследований, выполненных расчетов напряженно-деформированного состояния массива горных пород и нагрузок на крепь, имитационного моделирования затопления вертикального вспомогательного ствола шахты им. Ф. Э. Дзержинского, можно сделать следующие выводы.
В результате затопления массивов горных пород наблюдаются существенные изменения их физико-механических свойств. Обводненный массив существенным образом (до 60% и более) теряет свои прочностные и деформационные характеристики.
Исследования показали, что при обводнении массива изменяются его упругие свойства, повышаются пластические характеристики, что уменьшает концентрацию напряжений в зонах повышенного горного давления.
Следует отметить, что при имитационном моделировании затопления ствола были выявлены несколько локальных пиков несоответствия необходимой и расчетной толщины крепи. Однако при детальном видеобследовании нарушений крепи в данных точках не зафиксировано, что говорит об устойчивости системы "крепь-массив" в данных конкретных условиях.
Результаты данных исследований будут использованы при создании аналитической модели формирования и трансформации
напряженного состояния обводненных массивов горных пород при отработке свит пластов.
Исследования проведены в рамках выполнения фундаментальной научно-исследовательской работы БЯ8Я - 20230006 "Исследование устойчивости и трансформации напряженно-деформированного состояния обводненных массивов горных пород".
ЛИТЕРАТУРА
1. Техногенные последствия закрытия угольных шахт Украины / Гавриленко Ю. Н., Ермаков В. Н., Кренида Ю. Ф., Улицкий О. А., Дрибан В. А.: монография. - Донецк: Норд Пресс, 2004. - 631 с.
2. Расположение, охрана и поддержание горных выработок при отработке угольных пластов на шахтах. Руководящий документ / РАНИМИ. - Утв. Мин. угля и энергетики ДНР 15.04.21. -Донецк, 2021. - 267 с.
3. КД 12.12.005-2001. Правила ликвидации стволов угольных шахт. - Утв. Министерством топлива и энергетики Украины 15.02.2001 г. - Донецк, 2001. - 122 с.
4. Дрибан, В. А. Технология принятия решения по схемам ликвидации вертикальных стволов / В. А. Дрибан, С. В. Голдин // Науковi пращ УкрНДМ1 НАН Украши: зб. наук. пр. - Донецк, 2009. - № 5 (I). - С. 477-489.
5. Дрибан, В. А. Мониторинг вертикальных горных выработок, имеющих выход на земную поверхность, при реструктуризации горных предприятий / В. А. Дрибан, Б. В. Хохлов // Материалы 3-й Международной научно-практической конференции «Инновационные перспективы Донбасса» Том 1. "Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве". - Донецк, 2017. -С. 41-46.
6. Дрибан, В А. Обеспечение устойчивости глубоких вертикальных стволов в зонах геологических нарушений и водопри-токов / В. А. Дрибан, С. В. Голдин, В. В. Левит, С. В. Борщев-ский // Уголь Украины. - 2004. - № 5. - С. 38 - 43.
7. Дрибан, В А. Критерий устойчивости околоствольного массива горных пород / В. А. Дрибан // Проблеми прського тис-ку. - Донецьк: ДонНТУ, 2004. - № 11. - С. 73 - 90.
8. Дрибан, В. А. Общие закономерности формирования напряженно-деформированного состояния массива / В. А. Дрибан // «Проблеми прського тиску»: зб. наук. пр. - №10 - 2003. -С.198 - 210.
9. Южанин, И. А. Систематизация мероприятий по управлению состоянием и свойствами горного массива / И. А. Южанин, В. А. Дрибан, Б. В. Хохлов, М. Д. Рожко // Труды РАНИМИ: сб. науч. тр. - Донецк, 2018. - № 4 (20). - С. 179-188.
10. Терлецкий, А. М. Изменение упругих характеристик горных пород при затоплении горных выработок / А. М. Терлецкий, М. Д. Рожко// Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых; под. ред. акад. К.Н. Трубецкого. - Москва: ИПКОН РАН, 2019. - С. 82-85.
11. Голдин, С. В. Классификация аварийных ситуаций при ликвидации вертикальных шахтных стволов / С. В. Голдин, А. Б. Ягмур// Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых; под. ред. акад. К.Н. Трубецкого. - Москва: ИПКОН РАН, 2019. - С. 76-78.
Дрибан Виктор Александрович, доктор технических наук, старший научный сотрудник, и.о. директора иснтитута, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк, e-mail: viktor-driban@yandex.ru.
Хохлов Борис Валентинович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, зав. отделом горного давления, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк, e-mail: hbv@bk.ru.
Голдин Сергей Витальевич, старший научный сотрудник отдела горного давления, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк, e-mail: s-gold1961@mail.ru.
Антипенко Антон Викторович, младший научный сотрудник отдела горного давления, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк, e-mail: ministrxp@mail.ru.
ANALYSIS OF EXPERIMENTAL AND MODEL STUDIES OF ROCK MASSIFS OF EASTERN DONBASS IN CONDITIONS OF FLOODING
The article provides an analysis of experimental and model studies of flooding of rock masses using the example of flooding of a vertical auxiliary shaft of the mine named after. F. E. Dzerzhinsky.
Key words: Watered massif, flooding level, stress-strain state of the massif, mine shell support stability, simulation modeling.
Driban Viktor Alexandrovich, Doctor of Engineering Sciences, Senior Researcher, Acting Director of the Institute, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, e-mail: viktor-driban@yandex.ru.
Khokhlov Boris Valentinovich, Ph. D. in Engineering Sciences, Senior Researcher, head. of the Department of Mining Pressure, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, e-mail: hbv@bk.ru.
Goldin Sergey Vitalievich, Senior Researcher at the Mining Pressure Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, e-mail: s-gold1961@mail.ru.
Antypenko Anton Viktorovich, Junior Researcher at the Mining Pressure Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, e-mail: ministrxp@mail.ru.
