CC BY
0УДК 550.8.013
Е. Д. Ходырев, В. В. Трофимов
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ КОЛЛЕКТОРОВ В ЗОНАХ ВЛИЯНИЯ БАРЬЕРНЫХ ЦЕЛИКОВ
Изучены зоны с повышенными градиентами фильтрационной неоднородности на участках влияния различного рода целиков. На основе математического моделирования установлены минимальные размеры целика, препятствующего развитию неконтролируемых потоков через тело самого целика и зону его влияния.
Ключевые слова: математическое моделирование, барьерный целик, зона водопроводящих трещин, водоупор.
Введение. Изучение особенностей изменения техногенных гидродинамических процессов на подработанных территориях при закрытии угольных предприятий требует выполнения оценки фильтрационной неоднородности рассматриваемых объектов. В результате ведения горных работ в подработанной толще образуются зоны с существенной анизотропией проницаемости горных пород. В частности, отмечается, что участки, на которых фильтрационные свойства массива отличаются более чем на пять порядков, не являются исключением и, кроме того, непосредственно соседствуют друг с другом. Ярким примером таких не-однородностей являются различного рода целики в выработанном пространстве. Они создают дополнительную фильтрационную площадную анизотропию среды и требуют разработки специальных методов ее оценки. Это связано в первую очередь с тем, что при оценке влияния целиков угля на процессы массопе-реноса требуется рассмотрение процессов фильтрации не только через тело самого целика, но и в зонах водопроводящих трещин, находящихся выше целика.
Метод решения задачи. Оценка изменения проницаемости горных пород в тех или иных зонах, прежде всего связана с оценкой напряженно-деформированного состояния (НДС) массива. Для оценки НДС массива используется расчетная схема, основанная на полученных закономерностях сдвижения горных пород при подработке [1]. Выбор метода оценки НДС, не является случайным т.к. только в рамках такого подхода появляется возможность для оценки деформаций горных пород за пределом прочности. Правомерность использования закономерностей сдвижения горных пород для оценки деформаций определяется многочисленными натурными наблюдениями и фиксируемыми на практике режимами заданных деформаций массива вблизи очистных выработок [1]. Для реализации этой расчетной схемы был разработан специальный алгоритм и компьютерная программа для расчета вертикальных смещений подработанного массива в том числе и в зонах водопроводящих трещин (ЗВТ), примыкающих к различного рода целикам. По вертикальным смещениям была выполнена оценка величин деформаций горных пород, а с их помощью был выполнен прогноз изменения проницаемости горных пород в зонах влияния целиков угля, оставленных в выработанном пространстве.
Результаты исследований. На рисунке 1 приведены результаты оценки деформаций горных пород в ЗВТ для размеров целика равным 10 м. Расчеты выполнялись для ЗВТ, т.к. именно этот участок горных пород принимает самое активное участие в процессах массообмена в зонах с повышенными градиентами фильтрационных неоднородностей. На рисунке изображено распределение деформаций горных пород в вертикальном сечении, расположенном перпендикулярно простиранию целика. По оси ординат в процентах от размеров ЗВТ отложено расстояние по нормали от плоскости отработанного пласта до рассматриваемой точки. По оси абсцисс отложено расстояние от некоторого фиксированного положения начала системы координат, расположенного в выработанном пространстве пласта, до расчетной точки. При этом левая граница целика расположена в точке с абсциссой равной 70 м, а правая - с абсциссой 80 м (70 + 1, где 1 - ширина целика). Выбранная система координат и положение целика бу-
дут использоваться во всех последующих выкладках с разницей в положении правой границы целика, зависящей от его размеров.
О 20 40 60 SO 100 120 140
Рис. 1 - Распределение деформаций подработанного массива в ЗВТ при ширине целика I = 10 м
Из полученных данных следует, что вокруг целика образуется зона знакопеременных деформаций. Зоны разгрузки массива, расположенные над выработанным пространством (0 < X < 70 и 80 < X < 140), сопровождаются деформациями растяжения и характеризуются положительными значениями величин. Зона массива, расположенная непосредственно над целиком (70 < X < 80), является зоной концентрации напряжений и характеризуется деформациями сжатия, имеющими отрицательные значения.
На рисунке 2 приведены результаты оценки величин транс-версальной составляющей тензора проницаемости в ЗВТ для размеров целика равного 10 м, выполненную согласно методике расчета [2]. Вокруг целика в ЗВТ образуется зона выраженной фильтрационной неоднородности. Зоны знакопеременных деформаций, примыкающие справа и слева к краевым частям целика сопровождаются существенным увеличением трансверсальной составляющей тензора проницаемости горных пород (примерно на два порядка) по отношению к зонам полной подработки (плоского дна мульды сдвижений), которые расположены над выработанным пространством (0 <Х << 70 и 80 << X < 140). Зона массива, расположенная непосредственно над целиком (70 < X < 80), является зоной концентрации напряжений и характеризуется неоднозначными изменениями проницаемости.
Transactions of RАNIMI, № 20-21 (35-36), 2023
О 20 40 60 80 100 120 140
Рис. 2 - Распределение трансверсальной составляющей тензора проницаемости горных пород подработанного массива в ЗВТ при ширине целика I = 10 м
Соответствующие полученным деформациям изменения трансверсальной составляющей тензора проницаемости в долях от проницаемости горных пород отвечают зонам полной подработки, т.е. проницаемости пород в плоском дне мульды сдвижений. Непосредственно над целиком и на некотором удалении от него по нормали в сторону увеличения ЗВТ образуются зоны пониженной проницаемости (10-2), что соответствует проницаемости нетронутого массива. Наличие таких зон уменьшает общую проницаемость ЗВТ, однако это уменьшение весьма мало в силу незначительности размеров этих зон уменьшения. Кроме того, на некотором удалении от целика по нормали в сторону ЗВТ наблюдается значительный (на порядок) рост трансверсальной составляющей тензора проницаемости. Это не тривиальное с точки зрения НДС массива поведение трансверсальной составляющей тензора проницаемости связано с малым размером целика и наложением полумульд сдвижения от выработанных пространств пласта, расположенных справа и слева от целика. Как видно из рисунка диапазон изменения проницаемости в ЗВТ в зоне влияния целика охватывает около четырех порядков, что предопределяет уникальность выделенных участков подработанных горных пород.
Относительные водоупоры, находящиеся в кровле барьерных целиков, при их малом размере могут попасть в зону увеличения проницаемости. В этом случае водоупоры перестают быть
защитными экранами и эффективность использования ненормативных целиков резко падает. В некоторых случаях влияние целиков может приводить даже к отрицательному результату, т.е. ситуация становится хуже, чем без их оставления или же, в лучшем случае, эффективность целиков будет сведена к нулю.
Расчеты для целика размером 20 м показывают, что также, как и предыдущем случае, вокруг целика образуется зона знакопеременных деформаций. Однако по сравнению с предыдущим рассмотренным случаем (l = 10 м) есть и существенные отличия в характере возникающей фильтрационной неоднородности. Эти отличия заключаются прежде всего в том, что зоны пониженной проницаемости (10-2), возникающие непосредственно над целиком и на некотором удалении от него, существенно увеличиваются и начинают оказывать заметное влияние на уменьшение общей проницаемости ЗВТ. Отмеченный ранее рост проницаемости на некотором удалении от целика по нормали в сторону ЗВТ по-прежнему сохраняется, однако составляет уже не порядки величин, а всего лишь кратные значения. Кроме того, зона роста проницаемости уменьшается в размерах и соответственно меньше влияет на общую проницаемость ЗВТ. Эти изменения поведения трансверсальной составляющей тензора проницаемости связаны с увеличением размеров целика и контрастности зоны фильтрационной неоднородности в связи с увеличивающейся несущей способностью целика. Так же, как и в предыдущем случае, диапазон изменения проницаемости в ЗВТ в зоне влияния целика охватывает около четырех порядков, однако общая проницаемость массива в ЗВТ резко сокращается, что предопределяет уже совсем другие условия массобмена на этом участке.
При размерах целиков, равных 10 м и 20 м, оба целика находятся в зоне так называемой полной подработки как по простиранию, так и вкрест простирания пласта. Т.е. находились в плоском дне мульды сдвижений. Полученные результаты отвечают зонам, характеризующимися наибольшей контрастностью изменения напряженного состояния массива. Диапазон изменения напряжений в этой зоне характеризуется их изменением от состояния полной разгрузки над выработанным пространством до состояния концентрации напряжений над целиками. При непол-
ной подработке часть горных пород зависает по мере удаления от выработанного пространства и не участвует в процессах сдвижения. Поэтому можно предположить, что деформационная картина будет ограничена меньшим диапазоном изменения параметров.
Результаты оценки деформаций и проницаемости в ЗВТ для размера целика равного 20 м, находящегося в зоне неполной подработки по простиранию пласта, отличаются диапазоном изменения параметров и заметным сглаживанием контрастности картины, однако общий характер изменений сохраняется. Такое поведение вполне закономерно и не противоречит фундаментальным представлениям об изменениях НДС массива при ведении горных работ.
На рисунке 3 приведены результаты оценки деформаций в ЗВТ для размера целика равного 32 м, а на рисунке 4 - соответствующие этим деформациям величины трансверсальной составляющей тензора проницаемости. Такой размер целика соответствует безопасной величине нормативного барьерного целика (Ь) при ведении горных работ у затопленных выработок для глубины Н = 500 м [3]:
L = 5 + 0.05 Н + 0.001 1,
где I - длина теодолитного хода (эта величина в среднем составляет около 2000 м).
По сравнению с предыдущими рассмотренными случаями (1 = 10 м и 20 м), наблюдаются существенные и принципиальные отличия в характере возникающей фильтрационной неоднородности, заключающиеся в том, что зона пониженной проницаемости (10-2), образующаяся, как и ранее, непосредственно над целиком, становится непрерывной и перекрывает всю ЗВТ. В этом случае отмечаемый ранее рост проницаемости на некотором удалении от целика по нормали в сторону ЗВТ полностью исчезает и фильтрация в ЗВТ становится весьма затруднительной. Таки образом, можно сказать, что особенностью этих изменений является то, что именно при таких размерах целика впервые возникает существенное препятствие для развития неконтролируемых потоков через тело самого целика и зону его влияния в ЗВТ.
О 20 40 60 80 100 120 140
Рис. 3 - Распределение деформаций подработанного массива в ЗВТ при ширине целика 1=32 м
Если учесть, что метод расчета нормативных целиков предназначен как раз для исключения таких потоков, то такое точное соответствие рекомендаций по выбору размеров нормативных целиков и характера полученных для них теоретических оценок проницаемости становится весьма неожиданным. Такое точное соответствие практических и теоретических результатов может объясняться лишь тем, что накопленный огромный опыт ведения горных работ у затопленных выработок позволил авторам без особого анализа тонкостей фильтрационных аномалий, представленных выше, разработать и внедрить на практике приемлемые рекомендации по расчету нормативных целиков, основываясь лишь на данных о сдвижении горных пород. Такое совпадение стало возможным в силу глубокого понимания авторами [3] сути геомеханических процессов, происходящих при ведении подземных горных работ. В свете сказанного, выполненная оценка характера особенностей изменения фильтрационных аномалий в зонах влияния нормативных целиков может служить дополнительным теоретическим обоснованием существующего эмпирического метода определения их нормативной ширины.
Расчеты проницаемости в ЗВТ для сверхнормативного целика, размеры которого равны 100 м, показывают наличие протяженной непроницаемой зоны в ЗВТ, что исключает любые потоки перпендикулярные телу целика. При таких размерах целика его можно рассматривать как часть нетронутого массива, а его
границы - как отдельные краевые части, не связанные между собой. Этот результат соответствует общепринятым фундаментальным представлениям о процессах подземной гидродинамики и геомеханики и не противоречит экспериментальным данным, фиксируемым на практике.
О 20 40 60 80 100 120 140
Рис. 4 - Распределение трансверсальной составляющей тензора проницаемости горных пород подработанного массива в ЗВТ при нормативной ширине целика I = 32 м
Выводы. Полученные результаты свидетельствуют, что оставление ненормативных целиков ведет к ухудшению геологической ситуации по сравнению даже с их отсутствием и, в лучшем случае, сводит эффективность таких целиков к нулю. Нормативный целик гарантирует безопасность ведения горных работ вблизи затопленного горного пространства, а сверх нормативный целик может рассматриваться как часть нетронутого массива. Согласованность теоретических и экспериментальных данных подтверждает состоятельность разработанной математической модели. Выполненная оценка фильтрационных аномалий в зонах влияния нормативных целиков может служить дополнительным теоретическим обоснованием существующего эмпирического метода определения их нормативных характеристик.
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках государственного задания (№ госрегистрации 1023020700021-4-2.7.1;2.7.5).
ЛИТЕРАТУРА
1. Кулибаба, С. Б. Оценка свойств техногенных коллекторов метана с учетом главных составляющих деформаций горного массива в зоне полных сдвижений / С. Б. Кулибаба, Е. Д. Ходырев // Науковi пращ УкрНДМ1 НАН Украши: зб. наук. пр. - Донецк, 2013. - № 13 (1). - С. 218 - 229.
2. Справочное пособие «Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов». Под ред. Петухова И. М. - М.: Недра, 1992. - 256 с.
3. Инструкция по безопасному ведению горных работ у затопленных выработок [Текст]: НАОП 1.1.30-5.08.84. - Утв. Ми-нуглепромом СССР 02.10.1984. - Л.: ВНИМИ, 1984. - 66 с.
Ходырев Евгений Дмитриевич, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, hodyrev_ed@mail.ru.
Трофимов Виктор Валериевич, кандидат технических наук, заведующий отделом компьютерных технологий, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, victor.trofymov@ranimi.org.
FILTRATION HETEROGENEITIES FEATURES IN THE AREAS OF BARRIER PILLARS INFLUENCE
Zones with increased gradients of filtration in homogeneity in the areas of various kinds pillars influence have been studied. On the basis of mathematical modeling the minimum dimensions of the pillar are established, which prevent the development of uncontrolled flows through the body of the pillar itself and zone of its influence.
Keywords: mathematical modeling, barrier pillar, zone of water supply cracks, water resistance.
Khodyrev Evgeny Dmitrievich, Ph. D. in Engineering Sciences, Leading Researcher, Federal State Budgetary Institution «RANIMI», Russia, DPR, Donetsk, hodyrev_ed@mail.ru.
Trofimov Viktor Valerievich, Ph. D. in Engineering Sciences, Head of the Computer Technology Department, Federal State Budgetary Institution «RANIMI», Russia, DPR, Donetsk, victor.trofymov@ranimi.org.
