Закономерность формирования блочных структур во вмещающих породах вокруг выработок Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 17

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© В.В. Иванов, В.А. Хямяляйнен,

К.А. Филимонов, 2001

УДК 622.026

В.В. Иванов, В.А. Хямяляйнен, К.А. Филимонов

ЗАКОНОМЕРНОСТЬ ФОРМИРОВАНИЯ БЛОЧНЫХ СТРУКТУР ВО ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОДАХ ВОКРУГ ВЫРАБОТОК

П

ериодические осадки кровли в лаве обуславливают необходимость применения специальных мер по локализации их вредного влияния на очистной забой. Поэтому при составлении паспортов очистных забоев необходимо располагать данными о величине шага обрушения пород кровли очистного забоя.

Существует ряд методов определения шага обрушения пород, устанавливающих зависимость величины шага обрушения от различных факторов. Тем не менее, в настоящее время проблема прогнозирования шага обрушения остается актуальной.

Из элементарных физических соображений, очевидно, что обрушение пород основной кровли происходит при таком подвигании лавы, при котором в кровле образуются секущие трещины, отделяющие данный слой пород от массива вмещающих пород. Секущие трещины, которые зарождаются в основной кровле, в соответствии с законами механики, тормозятся на границе геологического слоя, отделяющего основную кровлю от вышележащего массива. На границе этих геологических слоев, как правило, прочность пород существенно снижена по сравнению с породами внутри каждого слоя (ослабленный механический контакт), что способствует образованию послойных трещин, отделяющих породы основной кровли от вышележащего массива.

Вопрос об определении шага обрушения пород кровли по существу сводится к исследованию закономерностей формирования разрушающих трещин, отделяющих об-рушающиеся породы от основного массива.

Исследуем этот вопрос, опираясь на представления о свободном разрушении горных пород, развиваемые в работах Е.И. Шемякина. Согласно теории Е.И. Шемякина, полное разрушение пород происходит тогда, когда освобождаемая упругая внутренняя энергия горных пород превышает энергию поверхности вновь образованных трещин, отделяющих эти породы от основного массива.

Рис. 2. График зависимости толщины слоя породы от расстояния между трещинами в нем.

Будем считать, что обрушение пород кровли наступает в тот момент, когда в ней образуется шесть основных секущих и послойных трещин.

Тогда энергетическим критерием обрушения пород будет служить неравенство:

А* У>У S, (1)

где S - полная поверхность образующихся трещин; V - объем об-рушающихся пород; А - упругая энергия единицы объема пород; у - энергия единицы поверхности вновь образующихся трещин.

Приводим неравенство (1) к виду:

А'^£я >у*^£л +2mL+2m£л),

(2)

где £ - длина лавы; L - шаг обрушения; т - мощность обрушаемых пород.

Используя то обстоятельство, что (у*/А *) = йкр - есть критический размер разрушения по Е.И. Шемякину и, полагая в (1), что (Лкр = (т/3), имеем (опускаем знак >):

L£л = 2mL+2m£л,

откуда получаем окончательно:

L=2m /[1-(2т /£)], м (3)

При £л >>2т, что фактически всегда выполняется, имеем оценку шага обрушения пород в виде:

L х 2т. (4)

Таким образом, длина шага обрушения пород (а точнее расстояние между секущими трещинами по простиранию) должна быть равна двум мощностям слоя пород основной кровли. Фактически шаг обрушения несколько выше, т.к. знаменатель в исходной формуле (3) меньше единицы.

С точки зрения вышеизложенной теории, большой интерес вызывают фактические данные о соотношении между толщиной слоя пород и расстоянием между трещинами в них. Нами был выполнен корреляционный анализ этих данных для наиболее часто встречающихся пород кровли пластов угля (аргиллитов, алевролитов, песчаников, известняков) с целью установления наличия или отсутствия зависимости расстояния между трещинами от мощности слоя пород. Для этого были использованы фактические данные об этих величинах П.В. Василье-

ва и С.И. Малинина. В результате статистического анализа была получена следующая зависимость между толщиной слоя и расстоянием между трещинами в нем (график вместе с исходными данными показан на рис. 2):

L = 2,2т, (5)

где т - толщина слоя; L - расстоянием между трещинами.

Был так же вычислен выборочный коэффициент корреляции. Его величина составила 0,838. Это говорит о том, что связь между величинами L и т действительно очень близка к линейной зависимости.

Величина L, вычисленная по (4), практически совпадает с (5). Таким образом, теоретически полученная зависимость почти точно следует зависимости, полученной путем корреляционного анализа фактических данных.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

практике ведения горных работ нашло достаточно широкое применение возведение тампонажных завес с целью создания вокруг выработок противофильтрационных оболочек и упрочнения массива горных пород. В последнее время вопросы теории и практики возведения тампонажных завес получили еще большую актуальность в связи с необходимостью закрытия и консервации угольных шахт. Консервация и погашение выработанных пространств осуществляется, как правило, путем их затопления, что создает угрозу внезапных прорывов воды в нижележащие действующие горизонты. Затопление выработанных пространств является также одним из способов ликвидации эндогенных подземных пожаров. При проведении и поддержании горных выработок в условиях обводненных и неустойчивых горных пород дренажных шахт возникает необходимость усиления крепи с одновременным дренированием высоконапорных подземных вод.

Изоляция выработок от внезапных прорывов воды осуществляется путем возведения в них бетонных водоупорных предохранительных перемычек. Одним из основных недостатков их работы является фильтрация воды через тело перемычки и, в большей степени, через окружающий массив горных пород.

СЕМИНАР 17

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 2001” МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© В.А. Хямяляйнен, В.М. Пампура, И.А. Поддубный, С.Л. Понасенко, 2001

УДК 622.527.002.56

В.А. Хямяляйнен, В.М. Пампура,

И.А. Поддубный, С.Л. Понасенко

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ТАМПОНАЖНЫХ ЗАВЕСАХ

В связи с вышеотмеченным расширением области применения тампонажных завес при возведении водоупорных перемычек и усилении крепи дренажных выработок особую актуальность приобретают вопросы специфики технологии их сооружения. Параметры тампонажных завес и технологии их возведения в первую очередь определяются величинами остаточных водопритоков после инъекции массива горных пород. Поэтому ниже изложены математические модели фильтрации воды в тампонажных завесах, сооруженных в массивах горных пород вокруг водоупорных перемычек и дренажных выработок. При этом распределение коэффициента проницаемости k (г) незатампонированного массива при удалении от контура выработки принято экспоненциальным

k (г) = -

ехр

ЩЬп^о1 kN )

^ - ЩЬ

\

х ехр(_ Ь^ЫЫ. г),

RN - Щь

где к0 - коэффициент проницаемости незатампонирован-ного массива на контуре выработки (г = Щь), м2; kN -коэффициент проницаемости ненарушенного массива.

Схема области фильтрации через тампонажную завесу вокруг водоупорной перемычки представлена на рис. 1. На схеме приняты следующие обозначения: Ь - длина области фильтрации, м; ^ - радиус влияния выработки (радиус перехода к слабопроницаемому массиву), м; Кь -радиус выработки в проходке, м; £ - длина перемычки, м; НоЬ - толщина закрепного пространства, м; Нт - толщина зоны тампонажа в районе перемычки, м; Ну - толщина зоны инъекционного упрочнения пород на некотором удалении от перемычки, м; £ь , £ р - длина участка

упрочнения массива горных пород соответственно с безнапорной и напорной стороны, м; £у - длина участка тампонажа массива горных пород непосредственно вокруг перемычки, м; k (г) - распределение коэффициента

проницаемости массива горных пород при удалении от контура выработки до тампонажа, м ; ^ - коэффициент проницаемости затампонированного массива, м ; ^ь - коэффициент проницаемости тампонажной закрепной оболочки, м2; РN - напорное давление, Па; р - угол наклона рассматриваемого продольного сечения области фильтрации.

В основу исследования фильтрации воды через массив горных пород в зоне водоупорной перемычки положено решение краевой задачи для распределения давления в области фильтрации, включающей в себя дифференциальное урав-

1_д_ г дг

дР

г ■ k(г) —

дг

+ k (г)

д 2 Р

дх

= 0

при соответствующих граничных условиях.

Специфика возведения тампонажной завесы вокруг дренажной выработки заключается в том, что затампони-рованный массив с одной стороны должен обеспечивать устойчивость массива, а с другой эффективный дренаж. Поэтому предлагается возводить так называемую тампонажно - дренажную завесу, предполагающую создание вокруг выработки в тампонажной завесе дренажных шпуров.

Схема области фильтрации воды через тампонажно -дренажную завесу представлена на рис. 2. На схеме приняты следующие обозначения: Ь - длина участка выработки с тампонажно - дренажной завесой, м; £ - расстояние между рядами дренажных шпуров, м; Щь - радиус выработки в проходке, м; RN - радиус влияния выработки (радиус границы перехода к слабопроницаемому массиву), м; £ 3 - длина дренажного шпура, м; £ ^ - длина участка дренажного шпура в дренажном слое, м; ds -диаметр дренажного шпура, м; Н{ - толщина зоны там-понажной завесы, м; - толщина дренажного слоя, м; kd - коэффициент проницаемости дренажного слоя, м2. Остальные обозначения соответствуют рис. 1.

сечение А - А

Рис. 1. Схема области фильтрации воды с продольным (а) и поперечным (б) сечением выработки:

1 - выработка; 2 - крепь выработки; 3 - двухступенчатая врубовая перемычка; 4 - закрепные пустоты; 5 - тампонажный слой в закрепных пустотах; 6 - противофильтрационная тампонажная завеса; 7 - незатампонированная фильтрующая порода;

8 - граница зоны влияния выработки(перехода к слабопроницаемому массиву); 9 - напорная вода

9

При оценке фильтрации воды через тампонажно - дренажную завесу и эффективности ее работы в общем случае задача сведена к определению распределения давления воды Р(г,р,х,/) как функции цилиндрических координат

г,р, х и времени t из следующего дифференциального уравнения при соответствующих граничных условиях:

1

дР

^ (г)-----------

дг

+ k (г)

д2 Р дх2

- +

k (

А

а)

* d И

б)

А - А /

.і ± +„.] !Р# ^___МЛ/__/ЛЛ/_XX Л/__ЛХЛ/ ллл/

2 х3 '4^

где Ро - плотность воды без давления, кг/м3; V - коэффициент кинематической вязкости

воды, м2/с; р - коэффициент сжимаемости воды, Па-1;

Поскольку решение трехмерной задачи в нестационарной постановке в общем виде не представляется возможным, ограничились решением ряда конкретных одномерных и двумерных задач по оценке водоприто-ка через незатампонированный массив до создания дренажного слоя, водопритока через незатампониро-ванный массив после создания дренажного слоя, водо-притока через тампонажную завесу и дренажные шпуры. Часть построенных моделей была реализована численно с использованием МКЭ.

Рис.2. Схема области фильтрации воды с поперечным (а) и продольным (б) сечением выработки: 1 - выработка; 2 - крепь выработки с закрепной тампонажной оболочкой; 3 - тампонажная завеса (упрочненный массив); 4 - дренажный слой; 5 - незатампонированный фильтрующий массив горных пород; 6 - граница зоны влияниявыработки (перехода к слабопроницаемому масиву);

7 - дренажный шпур; 8 - напорная вода

Анализ результатов выполненных расчетов показал, что на переток воды в основном оказывает влияние толщина тампонажной завесы. Причем наибольшее влияние наблюдается в диапазоне 0-7 м. Коэффициент проницаемости оказывает меньшее влияние. Тампонаж следует осуществлять при проницаемости на контуре выработки k0 > 0,5 ■Ш м . Количественная оценка влияния дренажных шпуров на переток воды через тампонажно - дренажную завесу является предметом дальнейшей реализации построенных фильтрационных моделей.

*

г

г

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------------------------------

_____________________________________________________________а

ш

Хямяляйнен В.А. - профессор, доктор технических наук, Кузбасский государственный технический университет.

Пампура В.М. - аспирант, Кузбасский государственный технический университет.

Поддубный И.А. - аспирант, Кузбасский государственный технический университет.

Понасенко С.Л. - ст. научный сотрудник, Кузниишахтострой.