CC BY
36
УДК 553.93:556.334
О ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ БАРЬЕРНЫХ ЦЕЛИКОВ ЗАТОПЛЕННЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
© 2006 г. А.В. Мохов
Flooding of coal mines can cause growth of water-permeability of barrier pillars as a result of generation of water-conductive joints. These joints are formed under action of Archimedes' forces; the openness of the joints has pulsating character.
Затопление угольных шахт нередко сопровождается опасным и неожиданным поступлением притока воды из них в выработки соседних угледобывающих предприятий через водонепроницаемые в условиях эксплуатации барьерные углепородные целики.
Подобная ситуация сложилась на антрацитовой шахте «Соколовская» (Восточный Донбасс) и является, по нашему мнению, типичной. Ее анализ, сделанный по материалам геолого-маркшейдерской службы шахты и других организаций, представляет интерес для выяснения особенностей и причин перетоков воды.
На участке перетекания ширина угольного целика по пласту i3H составляет 50-100 м, расположение целика - диагональное к простиранию слоев, максимальная глубина залегания угольного пласта около 460 м, угол падения слоев - 2-5°. Углевмещающий массив сложен типичными для Донбасса скальными и полускальными породами с преобладанием алевролитов и аргиллитов. Очистная выемка пласта i3H проведена длинными забоями с полным обрушением кровли, вынутой мощностью до 1 м; очистные работы завершены на участке в 1990 г. Выемка сближенного угольного пласта i3H на участке не велась; здесь имеются брошенные подготовительные выработки. Элементы горнотехнической и гидрогеологической обстановки у барьерного целика показаны схематически на рис. 1, 2.
Рис. 1. Горнотехническая и гидродинамическая ситуация на участке барьерного целика по пласту г/между шахтами «Соколовская» и «Несветаевская» (март 2001 г.): 1 — выработанное пространство; 2 — капитальные и подготовительные выработки; 3 — разрывное нарушение и его вертикальная амплитуда; 4 — скважина и ее номер; 5 — вероятный переток воды; 6 — простирание и падение пород
ш. "Соколовская"
ш. "Несветаевская"
ГлубЕиа, м Отметки м абс
Рис. 2. Перетоки воды через барьерный целик из шахты «Несветаевская» на шахту «Соколовская» (март 2001 г.): 1 — аргиллиты и алевролиты; 2 — уголь; 3 — песчаник; 4 — трещины;
5 — выработки и выработанное пространство; 6 — переток шахтных вод
В период эксплуатации каких-либо заметных водогазопроявлений в выработки по угольному пласту 13н из находящейся за барьерным целиком шахты «Несветаевская» не наблюдалось. В ходе ликвидации этой шахты «мокрым» способом водопроявления отсюда (несмотря на затопление прицеликового пространства) также долгое время отсутствовали.
В середине сентября 1999 г. появившееся незадолго перед этим потение стенок выработок сменилось постепенно усиливающимся капежом, и через целик стал поступать в нарастающих объемах приток воды. Ее поступление было визуально зафиксировано из кровли угольного пласта 13н по секущим целик зонам разрывных малоамплитудных сбросов с субвертикальной ориентировкой сместителя.
Задолго до начала водопроявлений из-за целика площадь будущего перетекания находилась в состоянии гидродинамического подпора. Причиной длительной задержки водопроявлений явились водоупорные свойства массива, что подтвердили последующие гидродинамические события. Можно в этой связи констатировать, что водопроводящие трещины сдвижения от очистных работ либо не распространились через целик, либо оказались недолгоживущими.
К началу изменения гидрогеологической ситуации в выработках шахты «Соколовская» вблизи целика уровень затопления ликвидируемой шахты поднялся до отметки «-167 м» (глубина 350-355 м); максимальное давление на основание целика (почву пласта 13н) в пределах участка вероятного перетекания достигло 110 м водяного столба.
Сведения о динамике притока воды из-за целика и уровне затопления ликвидируемой шахты приведены на рис. 3.
С середины сентября 1999 г. по апрель 2000 г. переток происходил на фоне небольшого вполне монотонного подъема затопления шахты и, соответственно, роста давления воды на целик, а затем (с середины апреля до конца сентября 2000 г.) постепенного его снижения. В течение суток 31.10.1999 г. переток возрос с 60 до 150 м/ч (т.е. в итоге на 90 м3/ч, хотя в какой-то момент в разрезе этих суток приращение достигало 140 м3/ч); затем стабилизировался на этом уровне; увеличился 1.02.2000 г. на 25 м3/ч; с начала и до конца апреля постепенно вырос еще на 80 м3/ч (до 255 м3/ч) и далее некоторое время оставался неизменным. К ноябрю 2000 г. приток снизился до 230-240 м3/ч; в дальнейшем произошло новое существенное его усиление, приведшее к затоплению шахты «Соколовская». Преобладающая часть дополнительного притока поступала в выработки пласта 13н
Шахтные наблюдения показали, что переток в выработки пласта 13н поступал в основном по породам междупластья 13н - 13в. В первой половине 2000 г. доля перетока по породам междупластья (и, прежде всего, слою песчаника) была преобладающей и составляла 11.01.2000 г. 95 % от всего расхода потока, а 2.06.2000 г. - 85 %. Учитывая нулевую начальную проницаемость целика, эти данные свидетельствуют о ее росте преимущественно за счет приращения фильтрационных свойств указанного слоя песчаника, ранее практически водонепроницаемого. Вероятные направления движения шахтных вод показаны на рис. 1, 2.
Как видно из приведенных данных (в частности, рис. 3), рост интенсивности водопроявлений не был вызван пропорциональным увеличением затопления и, более того, происходил также в условиях его спада, соответственно, снижения напорного градиента, в связи с чем должен быть объяснен приращением проницаемости разделяющего массива. Стабилизация притока при существенном снижении уровня затопления свидетельствует о продолжении роста проницаемости и обоснованности вывода о ее непостоянстве.
Приведенные материалы позволяют заключить, что фильтрация происходила по свежеобразованным трещинам.
-158
Рис. 3. Динамика перетока воды в шахту «Соколовская» (1) и уровня затопления шахты «Несветаевская» (2)
Важную гидрогеологическую информацию о ситуации содержат материалы скважинной электроинтроскопии, осуществленной для изучения структуры целика в связи с предстоящим тампонированием массива. Ее результаты приведены в [1].
В ходе этих работ в марте 2001 г. было обнаружено насыщение высокоминерализованной, по-видимому, шахтной водой пород различного состава выше и ниже пластов 13н и 13в в интервале глубин 410-470 м (отметок около «-225» - «-285» м), что истолковано как признак перетока шахтных вод в указанном интервале [1]. Отчетливо зафиксировано распространение шахтных вод в слоях ранее непроницаемых песчаников, в частности, слое между пластами 13н и 13в, а также составляющих основную часть разреза глинистых пород, что показано в нашей интерпретации на рис. 2. Эти исследования производились в период, когда уровень затопления шахты «Несветаевская» находился на глубине 378 м, или отметке «—191 м», относительно более низкой, чем при появлении первых признаков перетока. При этом приток составлял около 260 м3/ч и был близок к зафиксированному за весь период наблюдений максимуму.
Как можно судить по приведенным в [1] данным электроинтроскопии, и в более поздний период (март 2001 г.) значительная часть притока поступала по слоям песчаников, включая песчаник междупластья.
Особенности динамики притока позволяют сделать заключение о возможности как постепенного, так и скачкообразного возрастания и ослабления водопроводимости массива. Такое возрастание, например, происходило 31.10.1999 г. (в течение суток дважды) и 1.02.2000 г., а снижение -31.10.1999 г., когда первоначальный прирост проницаемости превышал ее установившуюся к концу суток величину (рис. 3).
Таким образом, вариации расхода фильтрационного потока должны быть объяснены образованием, раскрытием и приходящим ему на смену аналогичным сужением и новым расширением водопроводящих трещин. Эти процессы находятся в причинной связи с затоплением шахты «Несве-таевская» - единственным сильно варьирующим в сложившейся ситуации активным элементом обстановки.
Суффозионное происхождение данных эффектов может быть уверенно исключено из-за однонаправленного - в сторону повышения - влияния на проницаемость этого процесса. Подобная динамика раскрытости также не типична для трещин сдвижения, тем более что условия для их формирования были неблагоприятны вследствие заведомого завершения активной стадии литогеомеханических преобразований этого генезиса и консолидации массива.
Типология гидродинамических событий на участке целика указывает на их связь с изменением напряженного состояния горно-породной среды. Вариации состояния могут быть объяснены с привлечением известных данных о реакции породного массива на водонасыщение, которое произошло на рассматриваемом объекте при затоплении соседней шахты.
Образование обширного затопленного пустотного пространства породило силы архимедова взвешивания, снизив тем самым эффективные напряжения в массиве и, как показывают приведенные данные, обеспечив его разуплотнение с формированием систем новых трещин в ходе нескольких генераций. При этом трещинообразование происходит с фазовым отставанием от момента достижения достаточной степени затопления.
Эффективность подобного механизма трещинообразования прямо зависит от глубины затопления пустотного пространства. Глубокое и обширное затопление шахт предопределяет вовлечение в процесс больших областей породной среды с формированием сквозных трещин разуплотнения.
Описанные геомеханические события - скачкообразность разуплотнения массива с новообразованием пустот и ростом их сечения - указывают на способность породной среды к резкому высвобождению упругой механической энергии сжатия при ослаблении эффективного давления, в данном случае - у границы целика. Разуплотнение характеризуется частичной обратимостью и на фоне общей тенденции к раскрытию в отдельные моменты времени может развиться смыкание трещин [2].
Приобретение массивом целика водопроницаемости оказалось связанным в основном с трансформацией структуры слоев песчаника. Подобное явление представляется вполне естественным, поскольку породы этого состава выделяются среди других компонентов угленосных толщ минимальными (и низкими) реологическими свойствами и склонностью к хрупкому разрушению.
Появление сил взвешивания служит неизбежным следствием затопления шахт, что предопределяет разуплотнение породного массива и возможность в благоприятных условиях, прежде всего, при глубоком затоплении системы выработок реализации механизма трещинообразования, подобного рассмотренному.
Распространенность случаев перетоков воды через ранее непроницаемые целики при затоплении пустотного пространства свидетельствует о необходимости учета потенциальной возможности растекания значительных объемов шахтных вод из горных выработок при планировании эксплуатации и ликвидации горнодобывающих предприятий и захоронения здесь различных веществ.
Литература
1. Фоменко Н.Е., Порфилкин Э.Г., Гроссу А.Н. Электроразведочные методы контроля состояния гидросферы в угольных регионах (требования, технологии, результаты) // Научно-методическое обеспечение мониторинга угольных бассейнов и месторождений России: Всерос. науч.-техн. семинар. Шахты, 2001. С. 124-129.
2. Мохов А.В. О путях профилактики прорывов воды из затопленных каменноугольных шахт // Новые идеи в науках о Земле: Материалы докладов между-нар. конф. Т. 4. М., 2005. С. 136.
Южный научный центр РАН, г. Ростов-на-Дону 17 апреля 2006 г.
