СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫСОТЫ ЗОНЫ ВОДОПРОВОДЯЩИХ ТРЕЩИН НАД ВЫРАБОТАННЫМ ПРОСТРАНСТВОМ НА ПЛАСТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ
METHOD FOR DEFINING HEIGHT OF WATER CONVEYING CRACKS ZONE OVER MINED-OUT AREA AT STRATIFIED DEPOSITS

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для оценки безопасного ведения горных работ под водными объектами (реками, озерами, искусственными водоемами, водоносными горизонтами и др.).
Известен способ определения высоты зоны водопроводящих трещин в массиве горных пород (А.с. №1221347, опубл. Бюл. №12, 30.03.86), который осуществляется следующим образом. Из опережающей фронт очистных работ по пласту специальной выработки бурят восстающую скважину, в которую закладывают реперы в характерных породных слоях, пересекаемых этой скважиной. Глубину скважины выбирают из расчета пересечения ею верхней границы зоны водопроводящих трещин. При каждом очередном подвигании очистного забоя производят измерения горизонтальных смещений по отвесам, идущим от каждого заложенного в скважину репера, относительно неподвижного репера в почве выработки под скважиной. Горизонтальные деформации каждого слоя, в котором установлен репер, определяют путем деления величин горизонтальных смещений на расстояние, на которое продвинулся забой за время, прошедшее между данным и предыдущим измерениями. Искомую высоту зоны водопроводящих трещин принимают равной расстоянию от кровли разрабатываемого пласта до породного слоя, в котором зафиксированы максимальные горизонтальные деформации, равные установленному на данном месторождении значению предельных горизонтальных деформаций.
Недостатками этого способа являются большие затраты на проходку специальной выработки, бурение скважины, закладку в нее реперов и производство наблюдений за их смещением. Кроме того, чтобы установить для конкретного месторождения предельное значение горизонтальной деформации, являющейся максимальной горизонтальной деформацией на верхней границе зоны водопроводящих трещин, потребуются те же затраты.
Т
Т
Т
Т
Т
Известен способ определения высоты зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством на пластовых месторождениях с выдержанными водоупорами между водоносными слоями (А.с. №1221348, опубл. Бюл. №12, 30.03.86), сущность которого заключается в следующем. Над выработанным пространством пласта бурят скважину и в процессе бурения, начиная с расстояния по вертикали от кровли пласта (Н+δ), производят последовательные измерения напоров в предварительно изолированных (например, с помощью пакера) интервалах скважины длиной 10-12 м. Бурение и измерение напоров заканчивают на расстоянии по вертикали от кровли пласта (Н-δ). Здесь параметр Н является приближенным расчетным значением высоты зоны водопроводящих трещин для рассматриваемых горно-геологических условий, которая является функцией вынимаемой мощности пласта (m) и содержания пород глинистого состава в подрабатываемой толще (A):H=f(m, А). Значение А определяется как отношение суммарной мощности пород глинистого состава к мощности подрабатываемой толщи. Параметр δ - предельное (утроенное среднее квадратическое) отклонение фактических значений высоты зоны водопроводящих трещин от расчетных для соответствующих горно-геологических условий, которое принято равным δ=±10m. В результате при использовании соотношения (Н±δ) верхний из интервалов, в которых измеряют напоры подземных вод, будет находиться заведомо выше верхней границы зоны водопроводящих трещин, а нижний - заведомо ниже этой границы. Высоту зоны водопроводящих трещин определяют по результатам наблюдений как расстояние по скважине от кровли разрабатываемого пласта до середины интервала между двумя соседними слоями, в нижнем из которых напор подземных вод в период или после подработки снижается по сравнению с естественным, а в верхнем остается практически без изменений.
Недостатками этого способа являются необходимость бурения скважины и проведения в ней большого объема поинтервальных наблюдений за напорами подземных вод.
Известен способ определения высоты зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством на пластовых месторождениях, принятый за прототип (Безопасная выемка угля под водными объектами. М., «Недра», 1977, 175 с. Авт.: Б.Я.Гвирцман, Н.Н.Кацнельсон, Е.В.Бошенятов и др.). Согласно этому способу высота зоны водопроводящих трещин определяется как функция граничной кривизны и вынимаемой мощности пласта по формуле:
,
Т
Г
где Н - высота зоны водопроводящих трещин; m - вынимаемая мощность пласта; K - граничная кривизна породного слоя. В свою очередь, граничная кривизна породного слоя определяется из ее функциональной зависимости экспоненциального типа от содержания пород глинистого состава (алевролитов, аргиллитов, глинистых сланцев и др.) в подрабатываемой толще:
Г
K=f(A),
где А - содержание пород глинистого состава (алевролитов, аргиллитов, глинистых сланцев и др.) в подрабатываемой толще, определяемое как отношение суммарной мощности пород глинистого состава к мощности подрабатываемой толщи.
Недостатком данного способа является то, что при определении высоты зоны водопроводящих трещин не учитываются мощности пород подрабатываемой толщи и их местоположение относительно разрабатываемого пласта. А это, в свою очередь, приводит к снижению точности и достоверности определения высоты зоны водопроводящих трещин и соответственно к снижению надежности прогноза безопасной выемки пластов под водными объектами.
Техническим результатом изобретения является повышение точности, достоверности и оперативности определения высоты зоны водопроводящих трещин, образующейся над выработанным пространством пласта.
Технический результат достигается тем, что в способе определения высоты зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством на пластовых месторождениях, включающем определение содержания пород глинистого состава в подрабатываемом массиве, граничной кривизны как функции содержания пород глинистого состава, высоты зоны водопроводящих трещин как функции граничной кривизны и вынимаемой мощности пласта, граничную кривизну породного слоя корректируют умножением на величину относительного центра распределения мощностей пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи, который определяют как отношение центра распределения мощностей пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи к половине суммарной их мощности по вертикали, при этом центр распределения мощностей пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи определяют как среднее арифметическое расстояний по вертикали от кровли пласта до кровли каждого породного слоя.
Величина распространения зоны водопроводящих трещин над пластом зависит от деформаций изгибов слоев толщи, вследствие чего в породных слоях образуются сквозные нормальносекущие трещины. Более мощные слои деформируются в меньшей степени вследствие их подработки горными работами по пласту, чем относительно их менее мощные слои. Кроме этого, чем дальше от пласта расположены более мощные слои пород, тем меньше деформации изгиба они будут испытывать, проявляя склонность к зависанию. И наоборот, чем ближе к пласту, тем большие деформации испытывают эти слои и, соответственно, их изгиб происходит без зависания. Таким образом, влияние этих факторов (мощности слоев и их местоположение относительно разрабатываемого пласта) на развитие сквозных нормальносекущих трещин в породных слоях и, следовательно, на величину ЗВТ существенно. Соответственно учет местоположения пород глинистого и не глинистого состава различной мощности в подрабатываемом массиве горных пород относительно вынимаемого пласта в комплексе с учетом содержания пород глинистого состава в пределах того же массива горных пород повысит точность прогнозных расчетов высоты ЗВТ.
1
2
n
1
2
k
Ф
Тн
гф
г
Т
Тн
гф
г
ф
гс
Тс
с
гф
гс
Тс
Тн
Тс
а
a
a
Способ поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны геологическая колонка пород глинистого и не глинистого состава, залегающих над пластом, расстояния по вертикали от кровли пласта до кровли этих породных слоев (l, l,…, l), вертикальные мощности слоев пород глинистого состава (, ,…, ), суммарная вертикальная мощность пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи (Н), центр распределения мощностей пород глинистого и не глинистого состава на расстоянии по вертикали от кровли пласта L, центр распределения мощностей пород глинистого и не глинистого состава в случае их одинаковой мощности на расстоянии от кровли пласта ; на фиг.2 представлено сравнение высоты зоны водопроводящих трещин, полученной по натурным определениям, с рассчитываемыми значениями по формуле (3), в котором Н - высота зоны водопроводящих трещин по натурным определениям, К - фактическая граничная кривизна породного слоя, А - содержание пород глинистого состава в долях от подрабатываемой толщи, определяемое по формуле (1), К - граничная кривизна породного слоя, рассчитанная по формуле (2), Н - высота зоны водопроводящих трещин, рассчитанная по формуле (3); на фиг.3 представлено сравнение высоты зоны водопроводящих трещин, полученной по натурным определениям, с рассчитываемыми значениями по формуле (8), в котором Н, К, К - то же, что на фиг.2, L - центр распределения мощностей пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи, определяемый по формуле (4); L - центр распределения мощностей слоев пород глинистого и не глинистого состава в случае их одинаковой мощности, определяемый по формуле (5); с - относительный центр распределения мощностей пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи, определяемый по формуле (6); К - граничная кривизна породного слоя, рассчитанная по формуле (7); Н - высота зоны водопроводящих трещин, рассчитанная по формуле (8); ΔК=К-К, ΔН=Н-Н.
a
a
a
1
2
k
Способ осуществляют следующим образом. На участке подработки водного объекта необходимые геологические данные для прогноза высоты зоны водопроводящих трещин берутся по геологическим колонкам существующих разведочных скважин, составленным либо по отбору керна, либо по геофизическому каротажу. Содержание пород глинистого состава (алевролитов, аргиллитов, глинистых сланцев и др.) определяют путем идентификации таких литотипов пород в геологической колонке, измерения вертикальных мощностей , ,…,  каждого из распознанных слоев пород глинистого состава и суммарной вертикальной мощности всех подрабатываемых пород глинистого и не глинистого состава Н над пластом (см. чертеж). Используя данные таких измерений, находят содержание пород глинистого состава (А) в подрабатываемой толще как содержание этих пород в долях от подрабатываемой толщи из соотношения
при умножении которой на 100% получим процентное содержание пород глинистого состава в подрабатываемой толще. Анализ случаев натурного определения высоты зоны водопроводящих трещин выявил зависимость граничной кривизны породного слоя (максимальной кривизны породного слоя на верхней границе зоны водопроводящих трещин) от содержания пород глинистого состава в подрабатываемой толще, которая имеет следующий вид:
Г
где К - граничная кривизна породного слоя, 1/м; А - содержание пород глинистого состава (алевролитов, аргиллитов, глинистых сланцев и др.) в долях от подрабатываемой толщи, определяемое по формуле (1); е - основание натурального логарифма. Высота зоны водопроводящих трещин связана с граничной кривизной породного слоя и вынимаемой мощностью пласта следующей зависимостью:
Т
Г
где Н - высота зоны водопроводящих трещин, м; m - вынимаемая мощность пласта, м; K - граничная кривизна породного слоя, 1/м.
-3
-3
Т
Г
Сравнение высоты зоны водопроводящих трещин, полученной по натурным определениям, и рассчитываемых значений по формуле (3) представлено на фиг.2. Откуда следует, что отдельные отклонения высоты зоны водопроводящих трещин, получаемой по формуле (3), в которой учитывается влияние на величину зоны водопроводящих трещин только содержания пород глинистого состава через граничную кривизну породного слоя (2), от фактической, полученной из натурных наблюдений, составляют 34 м, а среднее квадратическое отклонение - ± 11 м (фиг.2). Соответственно отдельные отклонения граничной кривизны, определенной по формуле (2), от фактических ее значений достигают 1.64·10 1/м при среднем квадратическом отклонении ±0.35·10 1/м (фиг.2). Такой разброс значений Н и К объясняется влиянием на развитие ЗВТ не только литологического состава пород, но и местоположения пород глинистого и не глинистого состава различной мощности в подрабатываемой толще относительно разрабатываемого пласта.
Ф
1
2
n
Для учета при прогнозах высоты ЗВТ местоположения пород глинистого и не глинистого состава различной мощности в подрабатываемой толще относительно разрабатываемого пласта, используя ту же геологическую колонку, определяют центр распределения мощностей пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи L путем измерения расстояний по вертикали от кровли пласта до кровли каждого из породных слоев глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи l, l,…, l (см. чертеж) и вычисления среднего арифметического расстояния по этим измеренным данным:
где n - количество слоев пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи.
Определяют центр распределения мощностей пород глинистого и не глинистого состава в случае их одинаковой мощности L как половину суммарной вертикальной мощности пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи Н:
Далее можно получить относительный центр распределения мощностей пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи с из следующего выражения:
ф
где L - фактическое положение центра распределения мощностей слоев глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи, определяемое по (4); L - положение центра распределения мощностей слоев пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи в случае их одинаковой мощности, определяемое по (5).
Если по формуле (6) получается, что с<1, то это означает, что слои с наибольшими мощностями сконцентрированы в первой, ближайшей к пласту, половине толщи. Если с>1, то слои с наибольшими мощностями сконцентрированы во второй, дальней от пласта, половине толщи. При этом условии (с>1) слои пород с наибольшими мощностями склонны к зависанию, так как подвергаются меньшим деформациям в силу удаленности от пласта, соответственно зона водопроводящих трещин в этих условиях будет распространяться на меньшую высоту, чем рассчитанная по формуле (3). При с<1 слои с наибольшими мощностями подвергаются наибольшим деформациям в силу близости их расположения к пласту и поэтому процесс сдвижения в этих условиях протекает без зависания слоев пород и соответственно зона водопроводящих трещин будет распространяться на большую высоту, чем рассчитанная по формуле (3).
Гс
Граничную кривизну породного слоя с учетом содержания пород глинистого состава и местоположения пород глинистого и не глинистого состава в подрабатываемой толще над рассматриваемым пластом К получают из выражения:
Г
Г
Гс
Тс
где К - см. формулу (2); с - см. формулу (6). При подстановке в выражение (3) вместо К нового значения граничной кривизны К, определенного из выражения (7), получим расчетную высоту зоны водопроводящих трещин с учетом содержания пород глинистого состава и местоположения пород глинистого и не глинистого состава в подрабатываемой толще Н:
Сравнение высоты зоны водопроводящих трещин, полученной по натурным определениям, и рассчитываемых значением по формуле (8) представлено на фиг.3.
-3
-3
Сравнительный анализ высоты зоны водопроводящих трещин, получаемой по формуле (8), в которой учитывается влияние содержания пород глинистого состава и местоположение пород глинистого и не глинистого состава различной мощности в подрабатываемой толще, с фактической, полученной из натурных наблюдений, показал, что отдельные отклонения составляют 6 м, а среднее квадратическое отклонение - ±2 м (см. фиг.3). Соответственно отдельные отклонения граничной кривизны породного слоя, определенной по формуле (7), от фактических ее значений достигают 0.31·10 1/м при среднем квадратическом отклонении ±0.08·10 1/м (фиг.3). Таким образом, расчеты высоты ЗВТ по формуле (8) позволяют существенно повысить точность прогноза развития зоны водопроводящих трещин над отрабатываемым пластом. Кроме того, способ позволяет достоверно и оперативно производить оценку степени нарушенности водопроводящими трещинами подрабатываемых пород толщи, поскольку исходные данные для прогнозных расчетов берутся по геологическим колонкам (фиг.1), составленным либо по результатам геофизического каротажа, либо по отбору керна в существующих разведочных скважинах, которые были пробурены по определенной сетке в пределах шахтного поля и месторождения. В случаях, когда необходимо уточнить литологический состав пород и их распределение в толще можно дополнительно пробурить скважины, по которым оперативными методами геофизического каротажа получают соответствующие геологические разрезы.
Преимуществом способа является повышение точности определения высоты зоны водопроводящих трещин при одновременном повышении достоверности и оперативности за счет того, что исходные данные для расчетов берутся с геологических колонок, полученных по существующим разведочным скважинам или дополнительно пробуренным с целью уточнения геологического строения оперативными методами геофизического каротажа этих скважин.
Способ применяют на пластовых месторождениях (это все угольные и частично рудные месторождения) при оценке развития зоны водопроводящих трещин в подрабатываемой пластами толще пород для решения вопросов безопасного ведения горных работ под водными объектами: реками, естественными и искусственными водоемами, гидроотвалами, водоносными горизонтами, затопленными горными выработками.