CC BY
53
МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99
^ А.В. Мохов, 2000
УДК 622.014.3:65.016.8:622.333:622.02:531
А.В. Мохов
ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ КОНСЕРВАЦИИ И ЛИКВИДАЦИИ КАМЕННОУГОЛЬНЫХ ШАХТ С ЗАТОПЛЕНИЕМ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Важнейшими факторами преоб-
онсервация и ликвидация угольных шахт с затоплением горных выработок сопровождается различными, как правило, негативными для природной среды и инженерных объектов последствиями. Они могут иметь масштабные проявления, нередко выходя далеко за пределы горного отвода затапливаемой шахты, что диктует необходимость принятия мер по ослаблению вредных последствий затопления. Своевременное предвидение возможных процессов и явлений служит решающим условием их эффективного и экономичного ослабления до приемлемого уровня.
Развивающиеся при затоплении шахт процессы протекают в техногенно нарушенной и, во многих случаях, - существенно преобразованной среде. Учет подобной трансформации производится с использованием специфических для условий данной шахты и общих, известных по другим предприятиям горного профиля геомеханических закономерностей.
Нарушения состояния окружающей среды возникают, как правило, задолго до момента начала строительства шахт под влиянием различных техногенных воздействий, связанных прямо и косвенно или совершенно не связанных с промышленным освоением угольных залежей. Наиболее интенсивно они развиваются в период эксплуатации под ее воздействием и продолжаются в ходе затопления и по его завершению.
ходка горных выработок и скважин, осушение и водопонижение, сдвижение, а в период затопления - заполнение горных выработок и пустот во вмещающем массиве водой. Наиболее сильным фактором является в большинстве случаев сдвижение. Генерируемые им процессы развиваются в условиях применения любых систем разработки, особенно интенсивно при управлении горным давлением способом полного обрушения кровли.
Преобразования оказывают существенное, во многих случаях -решающее влияние на ход, параметры, последствия консервации и ликвидации и, соответственно, технические решения по их проведению.
Сущность преобразований гидродинамического характера состоит в изменении (возрас-тании, иногда -снижении) пустотности массива, напряженного состояния массива и пронизывающих его флюидов, дренаже водоносных или заводнении малопроницаемых частей толщи пород. Одним из результатов является образование техногенных водопроницаемых (в последующем, при прекращении дренажа - нередко водоносных) горизонтов и линз в ранее проницаемых или практически непроницаемых породах. Активное формирование получают различные «гидрогеологические окна», связанные с зонами флюидо (водо-, газо-) проводящих трещин сдвижения (ЗФТС), стволами скважин, ранее сомкнутыми полостями вдоль сме-стителей разрывных нарушений и
т.п. К моменту завершения горных работ породная толща на многопластовых шахтах превращается в качественно отличное от естественных условий переслаивание проницаемых и непроницаемых горизонтов, соед и няющихся «гид рогео-
логическими окнами». Эти процессы способствуют распространению теплого воздуха в массиве, оказывая в условиях многолетнемерзлых пород отепляющее воздействие с известными гидрогеологическими последствиями.
Влияя на структуру, проницаемость в различных направлениях и емкостные свойства массива горных пород и уже существующего пустотного пространства, движение флюидов, эти преобразования определяют скорость и пределы затопления, его воздействие на различные природные объекты и инженерные сооружения.
Направленность изменений резко дифференцируется для различных стадий промышленного освоения месторождений. На начальном этапе преобладает их формирование и накопление, к моменту завершения эксплуатации угольных залежей происходит максимальное отклонение характеристик массива от естественного состояния. При ликвидации и консервации шахт получают преобладание процессы обратного знака и направленности с общей инверсией и постепенным приближением техногенно нарушенного состояния геологической среды к таковому в естественном залегании. Вместе с тем полного восстановления исходного состояния произойти принципиально не может из-за появления серьезных необратимых изменений среды, проявлений гистерезиса (в частности, емкостных свойств при осушении и, затем, во-донасыщении пород) массива.
Пустотное пространство образуют горные выработки, стволы скважин, трещины и поры и другие полости естественного и техногенного происхождения. Их гидродинамическое значение и влияние на ход гео-механических процессов существенно дифференцированы в зависимости от размещения относительно источников обводнения шахты, компонентов пустотного пространства, коллекторов и дрен и т.п. После затопления шахты основными путями
вывода накопившейся здесь воды служат горные выработки, стволы скважин, полости вдоль сместите-лей разрывных нарушений, флюидо-(водо-, газо-) проводящие трещины сдвижения и другие каналы искусственного происхождения. Значение естественных каналов в этом процессе, как правило, второстепенно.
Пустотное пространство весьма динамично и практически постоянно изменяет свою конфигурацию, структуру и основные внутренние характеристики. К моменту прекращения водоотведения распространение водопроводящих трещин практически везде, за исключением участков недавно завершенной эксплуатации, затухает и получает преобладание общая тенденция сокращения размеров ЗФТС, ослабления фильтрации и емкости свойств пород внутри данной зоны. Основной ее причиной является смыкание трещин и других пустот особенно, внутри элементов массива глинистого состава с восстановлением исходных, обычно водоупорных, свойств. Тем не менее, водопрово-димость пород всех литотипов может сохраняться в течение многих десятилетий на стабильном уровне, характерном для начальной стадии формирования в слое водопроводящих трещин.
Ход и последствия геомеханиче-ских преобразований зависят от значений вынутой мощности. В массивах типичного песчано-глинистого состава в пределах активной кровли процессы сдвижения качественно разнятся при ее значениях ниже и выше 1,3 м. Влияние сдвижения на пустотное пространство и горизонтальное перемещение элементов массива резко усиливается при переходе этой границы, будучи ниже нее довольно вялым.
Важная роль в этих процессах принадлежит влиянию воды, размягчающее действие которой способствует проявлению и активизации действия различных факторов, в частности, облегчая уплотнение дезъинтегрированной толщи. На месторождениях углей средней степени метаморфизма глинистые породы склонны к практически полному слеживанию и быстрому восстановлению водоупорных свойств даже после обрушения. Как показал опыт
откачки затопленных в годы Отечественной войны шахт центрального Донбасса, породные завалы в капитальных и подготовительных выработках довольно часто оказывались водонепроницаемыми перемычками (Восстановление угольной промышленности Донецкого бассейна. М., 1957). В условиях месторождений высокометаморфизованных углей эти процессы протекают значительно медленней и в течение обозримого промежутка времени не всегда получают заметного развития. Учет их здесь важен в основном при выполнении расконсервации и восстановлении шахт. Соответственно, увлажненный массив с низкой водоустойчивостью пород постепенно приближается по структуре своего пустотного пространства к обстановке естественного залегания. Для нее характерна приуроченность водопроницаемых (водоносных) горизонтов к слоям песчаников и известняков, а слабо- и практически непроницаемых - к слоям аргиллитов, несколько реже и в меньшей степени, - алевролитов.
Динамизмом проницаемости ха-растеризуются также горные выработки и стволы скважин. Ведущим фактором здесь является горное давление, имеющее, как правило, направленное действие и в той или иной степени вызывающее обрушение, пучение, выдавливание, расширение фрагментов породного массива с частичным или полным перекрытием сечения полостей. Важное значение, особенно в условиях крутого залегания, имеет смещение пород по контактам наслоения (напластования) с теми же последствиями. Указанные процессы активизируются при замачивании пород. Успешная в гидрогеологическом отношении подработка забоев скважин и пересечение их стволов горными выработками могут считаться достаточным основанием для вывода о непроницаемости этих каналов также на стадии затопления шахты. Процессы обратного знака возникают на участках быстрого движения водных потоков, где получает развитие механическая и химическая суффозия, особенно характерная для очагов разгрузки подземных вод. Тенденция к снижению числа и водопроводимости каналов любого генезиса и морфологических
характеристик является преобладающей.
Актуальным моментом остается определение коэффициента заполнения массива водой. Как известно, сведения об этом коэффициенте применяются для расчетов потенциально способного к затоплению пространства, величина которого считается равной произведению коэффициента заполнения и объема вынутой породной массы. Решение этого вопроса может быть найдено путем комплексного учета различных геомеханических преобразований среды. Образующаяся в толще массива и на его поверхности мульда сдвижения служит своеобразным и вполне точным «слепком» вторичной техногенной структуры массива, несущим информацию о величине и динамике пустотного пространства. Использование представлений о количественном совпадении пустотно-сти сдвижения с разницей объемов выработанного пространства и мульды сдвижения позволяет сделать шаг в решении рассматриваемой проблемы. Такой подход является особенно оправданным в условиях высокой устойчивости вмещающих пород по отношению к горному давлению и увлажняющему действию воды. В первом приближении коэффициент заполнения может быть определен как частное от деления разницы средневзвешенных значений вынутой мощности и оседания земной поверхности на величину первого показателя.
Ввиду гидравлической изолированности ряда пустот затапливаемый объем составляет только часть указанной величины, - как и коэффициент заполнения по отношению к коэффициенту пустотности. Однако при расчетах эти характеристики могут быть приняты попарно равными, учитывая заполненность какой-то части образовавшегося пространства не вытесняемой газовой смесью и непрерывную ее подпитку газовыделениями из различных источников.
Общая пустотность нарушенного сдвижением массива зависит от геомеханического поведения, прежде всего, способности к зависанию его элементов, а не от вещественного (литологичес-кого и петрографического) состава. В то же время отметим, что между этими характери-
стиками среды имеется определенная хорошо известная корреляция. В общем случае пустотность связана с подвижностью обратной зависимостью. В условиях повторной подработки и под влиянием аналогичных по геомеханическим последствиям воздействий, при провали-вании подработанной части толщи вплоть до поверхности, когда и в результате которых амплитуда вертикального смещения возрастает, связь коэффициента заполнения с составом массива еще более ослабевает. Значение этого коэффициента может стать при этом минимальным. В условиях полных сдвижений верхней границы интервала потенциально возможного распространения ЗФТС значения коэффициента заполнения достигают максимума. Расчет пустотности ведется по материалам инструментальных наблюдений за сдвижением земной поверхности и горных пород на консервируемой (ликвидируемой) или(и) аналогичной ей по совокупности природных и горнотехнических условий шахте. При отсутствии таких сведений оценка данного параметра выполняется с привлечением дистанционных методов (результатов аэро- и космосъемок), либо на основе прогнозов оседания. В последнем случае необходимо учитывать нелинейность с затуханием зависимости (потерей связи) оседания от вынутой мощности (А.В. Мохов, 1980, 1981) в условиях первичной и, нередко, при повторной подработке.
Нелинейность обеспечивает в общем случае непропорциональность зависимости емкостных
свойств массива от вынутой мощности и вызывает рост остаточной пус-тотности по мере увеличения указанного фактора. Проявления нелинейности особенно сильны при величине вынутой мощности свыше 1,3 м. Использование этих закономерностей позволяет получать оценку вторичной пустотности, в частности, дифференцированно по зонам концентрации деформаций сдвижения над выработанным пространством. В условиях линейной зависимости оседания от вынутой мощности величина коэффициентов пустотности и заполнения является практически константой, близкой к 0,3. При проявлениях дискретности и реализации какого-либо из «разрешенных» величин оседания эти коэффициенты варьируют от 0,5 до 0,8 в диапазоне значений вынутой мощности от 0,6 до 1,3 м и 0,8-0,9 в диапазоне от 1,4 до 3,0 м в массивах с зависающими слоями песчаников. В случае отсутствия каких -либо зависающих слоев коэффициент пустотности (за-полнения) варьирует от 0,15 до 0,6 в диапазоне значений вынутой мощности от 1,4 до 3,0 м.
С учетом сказанного можно сделать вывод, что в условиях полных сдвижений земной поверхности на долю области массива внутри ЗФТС приходится, как правило, не более 10 % всей «потери» мощности. Остальная часть потери приходится в основном на зону обрушения, причем непосредственно в контуре границах выработанного пространства теряется не более 20-30 %. Отсюда, величина коэффициента заполне-
ния составляет для этих частей массива 0,1 и 0,2-0,3 соответственно.
Заполнение выработок водой вызывает различные процессы на земной поверхности. Укажем на ее подъем, величина которого в условиях глубоких шахт достигает по ориентировочным оценкам 10 см. С течением времени можно ожидать нивелировки этого эффекта или даже его перекрытие противоположным по знаку и сопоставимым по величине смещением из-за повышенной уплотняемости увлажненных пород.
Рассмотренные закономерности являются по отношению к объекту конкретного приложения, как правило, априорными. Ошибочные решения, вызванные дефицитом и низким качеством информации об особенностях обстановки ликвидируемого (консервируемого) объекта и ее трансформации, компенсируются практически заведомой неосуществимостью маловероятных событий и активным проявлением самоорганизации (и других эффектов синергетической природы) в деформируемой породной среде.
Сделанные выше выводы находят применение при составлении проектов ликвидации угольных шахт различных регионов страны. Они также представляют интерес при решении задач горного производства, защиты различных объектов от вредного влияния промышленного освоения месторождений внутри породного массива и на его поверхности.
Мохов А.В. - ВНИГРИуголь.
