CC BY
54
ГЕОМЕТРИЯ И КВАЛИМЕТРИЯ НЕДР
^ Н.А. Митишова, 2000
УДК 532.5:622
Н.А. Митишова
МЕХАНИЗМ ПРОНИКНОВЕНИЯ ВОДЫ В ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ
В
ода крайне необходима для функционирования каждого производства и жизнедеятельности людей. На угольных шахтах вода используется для профилактики и тушении пожаров, подавления пыли, борьбы с внезапными выбросами угля, горными ударами, охлаждения оборудования, в гидросистемах, при отбойке и транспортировке угля, подаче гидрозакладки и во многих других случаях.
Одновременно вода является спутником, затрудняющим разработку угольных месторождений. При нарушении технологии добычи, неблагоприятных стечениях обстоятельств она может накапливаться в больших объемах и представлять опасность для предприятия и работающих.
В горнодобывающих отраслях промышленности руководители и специалисты часто недооценивают опасность скопления воды в горных выработках, хотя подобные явления продолжают иметь место на современных действующих шахтах. Примером тому могут служить случаи прорывов воды с затоплением горных выработок и гибелью людей в Кузбассе на шахтах, «Северная», «Анжерская»; на шахтах Украины - им. Ватутина, «Юрковская-Западая»; в Киргизии на шахтах «Кизил-Кия», «Таш-Кумыр» и т.д.
Чтобы исключить или максимально снизить вероятность аварий, связанных
с прорывами воды, в первую очередь необходимо знать механизм проникновения воды в горные выработки.
Наибольшую опасность для шахт представляют:
• водные объекты на поверхности, к числу которых относятся природные водоемы и ис-кусственные гидротехнические сооружения, сюда же можно отнести паводковые воды;
• водонасыщенные горизонты, слагающие массив горных пород;
• скопления больших объемов воды в горных выработках ликвидированных шахт.
Основными факторами, влияющими на вероятность проникновения воды, являются: относительная глубина подработки, состав, свойства, чередуемость и угол падения пород, степень их тектонической нарушенно-сти, количество разрабатываемых пластов, взаимное расположение горных выработок и водного объекта.
Чтобы понять механизм проникновения воды в горные выработки, рассмотрим схему сдвижения и деформации подрабатываемого массива горных пород.
Сдвижение горных пород начинается обычно с прогиба кровли пласта. По мере увеличения выработанного пространства прогиб пород растет, в сдвижение вовлекается все большее число слоев, происходит сдвиг их по плоскостям напластования, в толще появляются секущие трещины и трещины расслоения, при этом слои непосредственной кровли обычно разбиваются на отдельные блоки и об-рушаются. В процессе сдвижения
происходит изменение объема пород: в зоне повышенного опорного давления они уплотняются, а в зоне обру-
шения разрыхляются и, увеличиваясь в объеме, заполняют выработанное пространство, создавая подпор вышележащим слоям.
В подработанной толще по характеру и степени деформирования горных пород можно выделить шесть зон (рис. 1).
При попадании водного объекта в зоны I и II происходит катастрофический прорыв воды с полным затоплением горных выработок. Если водный объект попадает в зону Ш, то происходит интенсивное увеличение притока воды в горные выработки. В случае попадания водного объекта в зону IV существенного притока воды в горные выработки не происходит. Из водных объектов, расположенных в зоне V, вода в горные выработки не поступает. Таким образом, задача сводится, прежде всего, к определению местоположения указанных выше зон в различных горногеологических условиях разработки пластов, причем практический интерес представ-ляют в основном зоны Ш и IV.
Зона IV начинается у нижней границы области упругих деформаций. В верхнем слое этой зоны деформации растяжения, вызванные его изгибом, достигают критических значений в волокнах, расположенных на поверхности слоя. Чем ближе он к горным выработкам, тем глубже распространяются в нем критические деформации и тем большее число волокон рвется. Одновременно под влиянием касательных напряжений, вызванных изгибом слоя, в нем появляются деформации сдвига и зарождаются трещины расслоения. Но протяженность и глубина секущих трещин в зоне IV невелики (рис. 2). Поэтому между собой они не соединяются и не создают единую водопроводящую систему. В этом состоит основная особенность зоны IV, назван-
Рис. 1. Схема деформирования горных пород подрабатываемого массива: 1
- зона обрушения; II - зона разломов; III - зона активных трещин; IV- зона локальных трещин; V - зона плавного прогиба; VI - зона опорного давления
ветственно IV, Ш, II; с4, с3, с2 - коэффициенты, учитывающие зависимость горизонтальных деформаций слоев в различных зонах от отношения Н/т (Н - расстояние от кровли выработки до нижней отметки дна водоема), определяемого опытным путем (их значения, в частности, для угольных бассейнов установлены); т
- вынимаемая мощность пласта; £п.р.
- предельные относительные деформации растяжения, при которых горные породы теряют сплошность и в них начинают появляться трещины; Є п.с. - предельные относительные деформации сжатия, при которых происходит разрушение горных пород (значения Єп.р. и Єп.с. для различных видов горных пород установлены, их можно найти в Правилах охраны...);
АКа - поправочный коэффициент, учитывающий влияние угла падения пород а на развитие деформаций толщи, определяемый как
АКа=0,75/(0,75-0,1ба/р), р=57°
Расчеты деформаций показывают, что в массиве горных пород может образоваться несколько одинаковых зон, при этом возможно нарушение последовательности их расположения, например, зона Ш может оказаться выше IV или IV—выше V, так как трещины в песчаниках образуются при значительно меньшем изгибе, чем в глинистых сланцах. Аналогично
Рис. 2. Схема деформированных слоев в
I - секущие трещины; II - трещины расслоения
от них. Примером тому может служить прорыв, происшедший на шахте №2 Нововолынская п.о. «Ук-рза-падуголь», когда тектоническое нарушение, послужившее водопроводящим каналом, стало причиной полного затопления лавы.
Нередко вода в горные выработки проникает по плохо затампонированным разведочным скважинам, особенно в районах тектонических нарушений.
Также большую опасность для горных выработок представляют паводковые воды. Известны случаи катастрофического затопления шахт через трещины, образовавшиеся в балках и оврагах до начала таяния снега и не сопровождавшиеся вначале заметным увеличением притока воды в шахту. Механизм таких прорывов воды заключается в основном в следующем. Над выработанным участком полезного ископаемого образуется впадина — мульда сдвижения. По краям ее (в зоне растяжения) образуются трещины, в центре (зоне сжатия) — уплотнение. Некоторое количество воды, собирающееся в центре мульды сдвижения, может оставаться там длительное время без всяких последствии, образуя на поверхности земли небольшое озеро. В период снеготаяния уровень воды в мульде сдвижения поднимается и достигает зоны трещин. Дальнейшее движе-различных зонах
ная зоной локальных трещин.
В зоне Ш секущие трещины, идущие от верхней и нижней поверхностей слоя, достигают его середины и пересекаются трещиной расслоения, длина которой в этой зоне больше расстояния между секущими трещинами. Трещина расслоения, соединяясь с секущими трещинами, создает в слое единый водопроводящий канал. Поэтому зону Ш целесообразно назвать зоной активных трещин. По мере приближения слоев к горным выработкам протяженность и раскрытие трещин растут, за счет чего водопропускная способность их увеличивается. Одновременно растут напряжения и деформации в сжимаемых частях слоя.
На границе между зонами II и Ш напряжения и деформации в сжатой части слоя превышают критические величины, и слои разрушаются, разбиваясь на отдельные блоки по секущим трещинам и трещинам расслоения. Следовательно, зона II является по существу зоной разломов.
Анализ результатов натурных наблюдений и аналитические расчеты
показывают, что расстояние по нормали от кровли разрабатываемого пласта до границ каждой из перечисленных зон можно определить по следующим выражениям:
Нге=С4т/(8п.р.ЛКа);
Нш=Сзт/(8п.р.ЛКа);
Нп=С2т/(Еп.с.ЛКа),
где Нгу, Нш, Нц - расстояние по нормали от кровли разрабатываемого пласта до верхних границ зон, соот-
в наносах, деформирующихся подобно плите, свободно лежащей на опорах, трещины получают большее развитие (при прочих равных условиях), чем в слоях, расположенных в массиве горных пород и деформирующихся подобно плитам, защемленным по концам. Это является, в частности, одной из причин того, что величина безопасной глубины подработки водных объектов, расположенных на земной поверхности, принимается, как правило, значительно большей (в 1,5—2 раза), чем под затопленными выработками, несмотря на то, что последние находятся под большим гидростатическим давлением.
Особое внимание при ведении горных работ под водными объектами следует обращать на тектонические нарушения, находящиеся не только в зоне непосредственного ведения горных работ, но и вблизи
ние потоков воды в массиве горных пород происходит по схеме, рассмотренной выше (рис. 1). При бурном таянии снега, сопровождающемся обильными дождями, через балки и овраги проходит такое количество воды, которого достаточно для затопления шахты средней производительности в течение нескольких часов. Скорость потока воды по горным выработкам может достигать в таких случаях 20 км/ч.
Таким образом, защита горных выработок от внезапного проникновения в них воды является достаточно актуальной. Эффективным средством предотвращения опасных поступлений воды в горные выработки с земной поверхности является прогноз влияния поверхностных вод на процесс ведения горных работ, на основании которого производится:
• отвод воды от провалов и мульд путем водоотводных канав за пределы влияния действующих и старых горных выработок;
• своевременная засыпка провалов, тампонаж грунтовых трещин, разведочных скважин, стволов и шурфов.
Решить проблему предотвращения поступлений воды в горные выработки в массиве горных пород предполагается путем применения горных и технических мер защиты:
При попадании водного объекта в зону IV (зону локальных трещин, из которой существенного притока воды
в горную выработку не произойдет), достаточным будет обеспечение системы водоотлива;
При попадании водного объекта в зону Ш (зону активных трещин, способствующую интенсивному притоку воды) необходимо установление усиленной системы водоотлива;
При попадании водного объекта в зоны I и II (предполагаю-щих катастрофический прорыв воды) необходимо применение горных мер защиты, таких как:
• изменение длины лавы;
• оставление предохранительных целиков;
• закладку выработанного пространства и т.д.
Методы защиты горных выработок от внезапного проникновения в них воды нашли отражение в «Практическом руководстве по предотвращению прорывов воды в горные выработки действующих и ликвидируемых шахт», разработанное ИПКОН РАН, которое поле утверждения будет рекомендовано специалистам, ответственным за безопасность горных работ в опасных зонах.
Митишова Н.А. - аспирант, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
