CC BY
0УДК 622.83:622.016
В. А. Дрибан, И. А. Колдунов, Б. В. Хохлов
ИЗМЕНЕНИЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ШАХТ
В статье рассматриваются исследования проблемы изменения гидрогеологического режима работы ГП «Шахта имени А. Ф. Засядько».
Ключевые слова: радиальная нагрузка, гидравлическое давление, ослабление пород, дренирование, водоспускная скважина.
Введение. В создавшихся условиях на Донбассе, при массовом закрытии угольных предприятий, происходит кардинальное перераспределение гидрогеологического режима между шахтными полями [1]. В силу этих причин существенно усложнились условия эксплуатации глубоких угольных предприятий. Так, например шахты им. А. Ф. Засядько, им. А. А. Скочинского, "Комсомолец Донбасса", "Шахтерская-Глубокая", "Прогресс" и др., при затоплении ликвидированных шахт, работавших на верхних горизонтах, в настоящее время находятся в обводненных массивах. При этом происходит восстановление ранее сдрениро-ванных водоносных горизонтов и приток воды, в шахты, начинает увеличиваться не только по прямым гидросвязям (сбойки между шахтами, барьерные целики недостаточных размеров), но и по ранее осушенным водопроводящим породам (песчаники, известняки), в которых происходит восстановление водоносности. Дренирование воды так же может происходить и по выработанному пространству ранее отработанных угольных пластов.
Увеличение объемов воды в горном массиве существенным образом изменяет напряженно-деформированное состояние околоствольного массива, связанное с ослаблением физико-механических свойств горных пород при обводнении, а также дополнительной гидростатической нагрузке на крепь шахтных стволов. Возникает ситуация, когда несущая способность уже
ослабленной крепи, не обеспечивает равновесное состояние системы «крепь-массив» в условиях деформирующегося при водо-насыщении околоствольного массива горных пород. При водона-сыщении, околоствольный массив и соответственно крепь ствола испытывают сложное неравномерное силовое воздействие, проявляющееся в общем вертикальном растяжении-сжатии, зональном вертикальном сжатии и растяжении, сдвигающих и изгибающих усилиях на контактах с дренирующими и деформирующимися слоями. Это приводит к нарушению крепи ствола, деформации расстрелов и армировки. Ситуация осложняется еще и тем, что некоторые шахтные стволы проходились, на тот момент, в сдренированном массиве без мероприятий гидроизоляции.
Горно-геологические и горно-технические условия отработки. ГП «Шахта имени А. Ф. Засядько» принимает воду через выработанное пространство затапливаемого пласта п1, который был отработан в 1960-х годах шахтой "Бутовская" ПО Макеевуголь (рис. 1).
Вода поступает через стволы ГП «Шахта имени А. Ф. Засядько»: воздухоподающий ВВПС № 2 и вентиляционный ВВС № 3, пройденные около 20 лет назад сквозь отработанное пространство пласта п1 без мероприятий гидроизоляции.
ВВПС № 2 пройден буровзрывным способом с 01.03.2000 г. по 29.10.2001 г. без предварительного тампонажа и водоподавле-ния. Глубина ствола 1267,5 м. Диаметр: в свету - 7,0 м, вчерне - 8,0 м. Вид крепи: бетон, бетон с анкерами, железобетон, ж/б тюбинги.
В течение 2003-09 гг. в районе сопряжения ствола с горизонтом 1235 м неоднократно отмечались повреждения крепи и армировки (трещины, заколы, вывалы, выдавливания бетона, деформации проводников и расстрелов и т. д.) под влиянием следующих причин: влияние очистных работ проводимых по пласту т3; проведение и перекрепление выработок руддвора горизонта 1235 м. Было выполнено полное перекрепление сопряжения, а также замена бетонной крепи на тюбинги с отметки 1160 м по 1200 м. С 2012 г по 2013 г осуществлялось усиление крепи анкерами диаметром 30 мм длиной 6-12 м с отметки 800 м по 1160 м (заколы и трещины в крепи).
В течение 2003-09 гг. в районе сопряжения ствола c горизонтом 1235 м неоднократно отмечались повреждения крепи и армировки (трещины, заколы, вывалы, выдавливания бетона, деформации проводников и расстрелов и т. д.) под влиянием следующих причин: влияние очистных работ проводимых по пласту m3; проведение и перекрепление выработок руддвора горизонта 1235 м. Было выполнено полное перекрепление сопряжения, а также замена бетонной крепи на тюбинги с отметки 1160 м по 1200 м. С 2012 г по 2013 г осуществлялось усиление крепи анкерами диаметром 30 мм длиной 6-12 м с отметки 800 м по 1160 м (заколы и трещины в крепи).
Непосредственной и основной кровлей пласта n1 является песчаник мощностью 36 м (рис. 2) и крепостью по шкале М. М. Протодьяконова f = 6, который ранее являлся водоносным
горизонтом N1 Sn1.
Рис. 2 - Разрез по стволу ВВПС № 2 в районе горных работ
пласта п1
Восточный вентиляционный ствол ВВС № 3 ГП «Шахта имени А. Ф. Засядько» пройден в 2002-04 гг. на глубину 1244 м без предварительного водоподавления. Ствол предназначен для выпуска отработанной вентиляционной струи воздуха. Форма сечения круглая, диаметр Восточного вент. ствола № 3 - 7,0 м.
Ствол пройден буровзрывным способом. Крепление Восточного вент. ствола № 3 - бетон, железобетон толщиной 0,5 м. Ствол оборудован жесткой армировкой. Имеет две клети.
Ствол имеет сопряжения с горными выработками на глубине: 560,77 м; 1162,15 м; 1176,7 м; 1208,13 м;1228,13 м.
Визуальное обследование ствола, проведенное в 2020 г., показало, что он находился в удовлетворительном состоянии. Тем не менее, на глубинах 192, 2667, 299, 327, 432 м наблюдались струи воды из бетонной крепи ствола. Максимальная величина струй воды находилась на уровне почвы старых горных работ пласта п1 - глубина 437,7 м (рис. 3).
Рис. 3 - Разрез по стволу ВВС № 3 в районе горных работ
пласта п1
Указанные проявления приурочены к почвам мощных песчаников, граничащих с аргиллитами или алевролитами, что говорит о восстановлении свойств водоносных горизонтов в песчаниках.
На сопряжениях основного горизонта наблюдались небольшое скалывание бетона в своде ветвей с обнажением арматуры.
В стволе, в районе пересечения старых горных работ пласта п1 при проходке были заложены деформационные швы на глубинах 429 и 442 м. Непосредственной кровлей пласта п1 является алевролит "кучерявчик" мощностью 5,2 м и крепостью / = 3,5, основной кровлей является песчаник мощностью 29 м и крепостью / = 6.
Толщина бетонной крепи на участке глубин 429 - 437 м в стволе ВВС № 3 увеличена по сравнению с проектной на 0,17 - 0,23 м.
Геомеханическая и горнотехническая оценка напряженно-деформированного состояния массива горных пород и крепи ВВПС № 2, ВВС № 3 ГП "Шахта имени А. Ф. Засядько" приведена ниже.
На основании анализа представленных ГП "Шахта имени А. Ф. Засядько" материалов, для оценки геомеханической устойчивости крепи стволов проведен анализ напряженно-деформированного состояния околоствольного массива горных пород при различных гидростатических нагрузках, с учетом максимальных и минимальных фильтрационных свойств пород, выполненный согласно [2].
Проведенные расчеты показали, что при минимальных фильтрационных свойствах пород от 0,001 песчаник п^щ1
7 1
(кровля пласта п1) до 0,0125 м/сутки N Sn1 (почва пласта п1) фактическая крепь стволов удовлетворяет условиям охраны и поддержания (рис. 4 - 7). При фильтрационных свойствах пород выше 0,02 м/сутки в районе пласта п1 могут возникнуть нагрузки, значительно превышающие несущую способность существующей крепи, которые приведут к её повреждениям. Расчет нагрузок на крепь при максимальных фильтрационных свойствах пород 0,3246 м/час 7,790 м/сутки песчаник п^щ1 (кровля пласта п1) приведен на рисунках 8, 9.
Из-за малой достоверности и большого расхождения представленных ГП "Шахта имени А. Ф. Засядько" материалов далее был проведен расчет для средних фильтрационных свойств пород, приведенных в размерности м/сутки (рис. 10, 11). Из рисунков 10, 11 видно, что крепь удовлетворяет условиям поддержания.
0,9 0,8 -0,7 -0,6
s
i 0,5 1 &
я 0,4 '
s
s
|| 0,3 -
¡2
0,2 -
0,1 -
0,0
Фактическая толщина кр епи
\
У\
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Глубина по оси ствола, м
Рис. 4 - Расчет толщины крепи ВВПС № 2 при коэффициенте фильтрации 0,001 м/сутки (песчаник н1Бн11 - кровля пласта н1)
0,9 0,8 -0,7 0,6
s
i °,51
я 0,4 "
j 03 -о Н
0,2 -0,1 -
0,0
100 150 200 250 300 350 400 450 500
Глубина по оси ствола, м
Рис. 5 - Расчет толщины крепи ВВПС № 2 при коэффициенте
7 1
фильтрации 0,0125 м/сутки (песчаник Ы1 Бн1 - почва пласта н1)
С 0,4
а
и
Я 0,3 S
200 250 300 350
Глубина по оси ствола, м
Рис. 6 - Расчет толщины крепи ВВС № 3 при коэффициенте фильтрации 0,001 м/сутки (песчаник н1Бн11 - кровля пласта н1)
0,7
0,6
0,5
0,2
0,1
0,0
150 200 250 300 350
Глубина по оси ствола, м
Рис. 7 - Расчет толщины крепи ВВС № 3 при коэффициенте
71
фильтрации 0,0125 м/сутки (песчаник N Sn1 - почва пласта п1)
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
10,0 -
9,0 "
8,0 -
7,0 -
6,0 -
5,0 -
4,0 -
3,0 -
2,0 -
1,0 -0,0
/
Фактическая толщина кр епи
0
100 150 200 250 300 350 400 450
Глубина по оси ствола, м
Рис. 8 - Расчет толщины крепи ВВПС № 2 при максимальном коэффициенте фильтрации 7,79 м/сутки (песчаник п^щ1 -
кровля пласта п1)
Глубина по оси ствола, м
Рис. 9 - Расчет толщины крепи ВВС № 3 при максимальном коэффициенте фильтрации 7,79 м/сутки (песчаник п^п^)
0,9 0,8 -0,7 0,6 -
5
g О,5 "
6
я 0,4 "
s s
¡| 0,3 "
о H
0,2 0,1 -
0,0
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Глубина по оси ствола, м
Рис. 10 - Расчет толщины крепи ВВПС № 2 при среднем коэффициенте фильтрации песчаника 0,0042 м/сутки
0,8 0,7 -0,6 -0,5 "
S
С 0,4
QJ
s-
I 0,2
Фактическая толщина крепи
If
и\
200 250 300 350
Глубина по оси ствола, м
Рис. 11 - Расчет толщины крепи ВВС № 3 при среднем коэффициенте фильтрации песчаника 0,0042 м/сутки
В настоящее время шахта временно затапливается, доступ в стволы невозможен, поэтому фактическое состояние крепи стволов не известно.
Выводы. Таким образом, перераспределение гидрогеологического режима между шахтными полями, а соответственно увеличение объемов воды в горном массиве существенным образом изменяет напряженно-деформированное состояние околоствольного массива. Это в свою очередь ведет к дополнительной гидростатической нагрузки на крепь шахтных стволов.
В результате анализа изменения гидрогеологического режима работы ГП «Шахта имени А. Ф. Засядько» можно сделать вывод, что крепь стволов ВВПС № 2 и ВВС № 3 в районе пласта п1
0,1
0,0
0
100
150
400
450
500
только при минимальных коэффициентах фильтрации окружающих пород (менее 0,02 м/сутки) будет удовлетворять условиям поддержания. Если это значение будет выше, то в районе пласта н1 могут возникнуть нагрузки, значительно превышающие несущую способность существующей крепи, которые приведут к её повреждениям. Также приведенные расчеты показали, что крепь стволов имеет запас прочности как минимум 0,5 МПа.
Шахте было рекомендовано усиление крепи и ослабление гидравлического давления на неё путем дренирования поступающей воды водоспускными скважинами.
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках государственного задания (№ госрегистрации 1023020700021-4-2.7.1;2.7.5).
ЛИТЕРАТУРА
1. Гавриленко, Ю. Н. Техногенные последствия закрытия угольных шахт Украины / Ю. Н. Гавриленко, В. Н. Ермаков, Ю. Ф. Кренида, О. А. Улицкий, В. А. Дрибан. - Донецк, 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.
Дрибан Виктор Александрович, доктор технических наук, старший научный сотрудник, и.о. директора иснтитута, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк, viktor-driban@yandex.ru.
Колдунов Игорь Александрович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела горного давления, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк.
Хохлов Борис Валентинович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заведующий отделом горного давления, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, hbv@bk.ru.
CHANGES IN THE HYDROGEOLOGICAL MODE OF MINE OPERATION
The article deals with the study of the problem of changing the hydrogeological mode of operation of the SE "Mine named after A. F. Zasyadko".
Keywords: radial loading, hydraulic pressure, rock weakening, drainage, water well.
Driban Viktor Alexandrovich, Doctor of Engineering Sciences, Senior Researcher, Acting Director of the Institute, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, viktor-driban@yandex.ru.
Koldunov Igor Alexandrovich, Ph. D. in Engineering Sciences, Senior Researcher of the Mining Pressure Department, «RANIMI», Russia, DPR, Donetsk.
Khokhlov Boris Valentinovich, Ph. D. in Engineering Sciences, Senior Researcher, Head of the Mining Pressure Department, «RANIMI», Russia, DPR, Donetsk, hbv@bk.ru.
