Механизм и условия возниконовения трещинной водопроводимости породного массива в условиях его подработки

Механизм и условия возникновения 2? ^ КОВ/1 трещин но и водопровод иллости породного

- » массива в условиях его подработки

Образование водопроводящих трещин в массиве горных пород связано, пред-жде всего, с деформационными процессами, нарушающими сплошность массива. Эти деформационные процессы могут являться следствием как естественного перераспределения напряжений в ненарушенном массиве (тектонических явлений, землетрясений и т.п.), так и образования нового поля концентрации напряжений вблизи поверхности обнажения при подработке массива.

В результате подработки в массиве горных пород образуется несколько зон, связанных с водопроводящей трещиноватостью [6]:

1. Зона разуплотнения, для которой характерно повышение степени трещиноватости и ослабление массива в целом;

2. Зона обрушения, характеризующаяся раскрытием нормальносекущих трещин, образованием трещин в мульде сдвижения и на контакте слоев и значительными водопоглощениями;

3. Зона, непосредственно прилегающая к зоне обрушения и отличающаяся наличием целой системы водопроводящих трещин;

4. Зона пересечения секущих трещин с трещинами расслоения, для которой характерно образование сквозных водопроводящих каналов;

5.3она отдельных трещин, не создающих единую водопроводящую систему.

Таким образом, образующиеся в массиве под влиянием горных работ зоны трещиноватости отличаются характером и величиной деформаций, а также степенью раскрытия трещин и их взаиморасположением. Поэтому для решения практических

задач при разработке месторождений необходимо знать механизм и условия возникновения трещинной водопроводимости породного массива.

В настоящее время выполнено большое количество работ, посвященных методам расчета глубины и зияния трещин, образующихся над горными выработками в результате прогиба слоев, деформационных свойств горных пород лишь с позиций гео-механического состояния массива и процессов сдвижения при подработке.

Как правило, всякая подработка массива горных пород сопровождается активизацией фильтрационных процессов. Тем не менее в современных исследованиях условий образования трещин фильтрационные процессы рассмотрены только как побочное явление, сопровождающее просадки, оседания, упругие деформационные явления, либо как свершившееся явление прорыва воды через существующие водопроводящие каналы.

Следовательно, возникает задача обоснования того факта, что процесс фильтрации в подработанном массиве гориных пород является важным условием образования и распространения водопроводящих трещин, решение которой должно базироваться на следующих положениях:

• вскрытие взаимосвязи между фильтрационными показателями и параметрами трещин в массиве горных пород;

• определение закономерностей, при которых фильтрационные напоры не приводят к образованию водопроводящих каналов в массиве, и породы выполняют функции естественного противофильтрационно-го экрана.

Вопрос распространения воды в трещиноватом массиве рассматривается с учетом двух особенностей: во-первых, трещиноватый массив как среда распространения, оказывает значительное влияние на характер движения водных масс; во-вторых, свойства воды как текучего мела и их изменение в течение времени являются определяющими при образовании водопроводящих трещин и формировании фильтрационных и физико-механических свойств массива в целом.

Основными фильтрационными характеристиками трещиноватого массива горных пород являются:

• коэффициент проницаемости трещиноватой среды. Согласно И.Вахромееву коэффициент проницаемости связан с коэффициентом трещиноватости и раскрытием трещин следующим соотношением [ 1 ]:

кпр = 0,043 гпт2Лд2

где т— коэффициент трещиноватости пород (количество трещин на 1 м линии измерения); д — толщина (раскрытие) трещин.

• коэффициент фильтрации породного массива в направлении действия градиеента напора определя-естя известным соотношением:

кф= КпР°^43т2тд2

где у — плотность воды, кг/м3;

/и — динамическая вязкость воды, (Н.с)/м2.

Подставляя формулу (1) в выражение, характеризующее коэффициент фильтрации (2) и приняв по физическим таблицам у=0,981.10 кг/м , 1,28.10" (Н.с)/м ,

получим новое соотношение, позволяющее установить зависимость коэффициента фильтрации от характеристик трещиноватости пород:

кф = 3,3-105 тт2лд2 .

Для оценки адекватности полученной формулы рассмотрим некоторые массивы,

сложенные различными горными породами: известняком, песчаником, сланцем. Величины тт и д выбраны на основании некоторых расчетных данных [2].

Полученные результаты сведены в таблицу 1. Затем для определения их достоверности расчетные коэффициенты фильтрации сравнивались с коэффициентами, полученными опытным путем. Последние заимствованы из книги Г.Ломизе [2]. Сравнения расчетных и опытных результатов показали их достаточную надежность (расхождения не превысили 10 — 15%). Полученная зависимость для выбранных типов пород отражена на рис. 1.

Таблица I

Порода Коэф. трещи новато-сти тт Седняя толщина те-_3 щин д * 10 м Расчетный коэф. филь трации_5 Кфр ' 10 м/сут Опытный коэф. филь-_ тации^Сф 10

няк 0,54 17,80 19,0

- ШШ 'Щ. шшштш

Песча- Л л ш ш ш * 0,05 0,20 2,44 3.1

ник arfijlj жтт ш »••#•»•••••••••••••«•• • • , • • • • • «•••»•« •»*«•*»•-•••• •

0,45 12,37 13,0 .

0,70 шшт ш шш

Сланец 0,05 0,12 0,88 0,9

шжотш+ 3,82

0,55 18,50 19,0

0,84 43>Ш: 46,0

Таким образом, расчитанная в настоящей работе зависимость позволяет установить прямую взаимосвяызь между фильтрационными процессами и образованием трещин.

Фильтрационные процессы играют двоякую роль по отношению к трещинооб-разованию. Во-первых, фильтрация воды в массиве, ослабленном горными разработками, приводит к усилению распространения имеющихся неплотностей, тонких трещин, нарушению дислокаций и развитию фильтрационных деформаций. Благодаря

45

40

35

30

25

го

15

ю

7 * 5 Г У

* /

*^

7 ч.

ложений вымываются мигрирующей жидкостью и также способствуют образованию суспензий.

Суспензии, заполняя зоны локальной трещиноватости, способствуют кольмата-ции трещин, в результате чего массив в данной области упрочняется. Различные исследователи подходят, в основном, к вопросу осаждения частиц из суспензий на стенках несквозных трещин, как к следствию их свободного выпадения из движущегося потока под взаимодействием сил тяжести [5]. При этом не принимается во внимание взаимодействие частиц между собой в процессе седиментации, трение их

о стенки трещины и «налипание». На наш взгляд, это имеет важное значение в случае кольматации наклонных трещин.

од

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0,8

10

0.9 3

Рис. 1. Зависимость коэффициента фильтрации породы от величины раскрытия трещин х — опытный результат;

— расчетный результат

напору подземных вод увеличиваются размеры ходов-пор в породе, происходит расклинивание и увеличение размеров тре-щин. Перераспределение водных потоков в результате разработки приводит к изменению влажности горных пород, и те из них, которые обладали большими влажностными характеристиками, теряют часть прочности, что ведет к более интенсивному разрушению при геомеханических процессах.

Во-вторых, образующиеся при подработке в породном массиве водопроводящие трещины в той или иной степени содержат продукты разрушения породы. Поэтому при движении подземных (поверхностных) вод по трещинам водные массы приобретают характер суспензий. При достаточно большом напоре течение этих суспензий сопровождается гидротранспортом мелких и мельчайших частиц породы. Кроме того, при подработке происходит прогибание и частичное разрушение приповерхностного грунтового слоя, содержащего в своем составе известковые отложения. Мельчайшие частицы известковых от-

ьлагодаря переносу продуктов раство-м рения вышележащей толщи и кольматации локальной зоны трещин может возникнуть ситуация, когда движение ньютоновского

потока жидкости приостанавливается и перенос влаги возможен в виде миграции пара. То есть возможно обеспечение такой пористости, при которой транспорт влаги осуществляеся только за счет тепломассо-переноса. Под влиянием этих явлений характер расположения зон трещиноватости может резко поменяться. Испарение влаги нижележащих слоев и даже небольшая разница в температурно-влажностных показателях породных слоев, окружающих выработку, могут вызвать перераспределение влажностных полей в массиве и образование в породах, окружающих ее, зоны иссушения. Зона иссушения при этом удет играть роль экрана, препятстсвующего образованию водопроводящих каналов и таким образом служащего антифилтрацион-ной защитой выработки от прорывов воды и выноса частиц породы в нее.

Известно, что вынос этих частиц определяется критической скоростью, которая может быть найдена из выражения [7]:

= «0^7

или, подставляя (3) в (4), из следующего уравнения:

Ур = 6С?УЗ,3 ЛФт^д1

Используя значения коэффициентов фильтрации пород из таблицы 1, получим . закономерности увеличения скорости гидротранспорта частиц породы в трещины в зависимости от коэффициента фильтрации породы и величины раскрытия трещин (рис. 2, 3). Как следует из графиков, увеличение раскрытия трещин приводит к возрастанию скорости гидротранспорта частиц. К тому же эффекту приводит и увеличение коэффициента фильтрации. Однако, на определенном этапе наступает стабилизация скорости несмотря на увеличение раскрытия трещин. Это свидетельствует о том, что произошло либо образование сквозного водопроводящего канала, либо мигрирующая суспензия достигла зоны локальной трещиноватости, и начался процесс кольматации и переноса влаги за счет тепломассообмена.

коэффициента фильтрации пород

Процесс кольматации возможен при таком раскрытии трещин <5, при котором скорость течения воды в выработанное пространство меньше скорости разрушения напором воды частиц породы V < Ур.

Следовательно, специфика фильтрационных процессов в трещиноватом массиве заключается в том, что они являются не только важным условием образования водопроводящих трещин, но на определенном этапе могут играть позитивную роль в «залечивании» существующих водопроводящих каналов.

С М/с

Рис. 3. Зависимость скорости разрушения грунта от величины раскрытия трещин

Таблица 2

Кф . 10 V 6 • 10

3,23 0,23

17,80 3,38 0,54

Ш ИЙ 4,95 Щ в ... ... . ... • » » • ••#•••• - . - . 0,90

2,44 1,74 0,20

7.92 • . , , 1 »ГГ- .... 0,36 -ЩЩШ 1 1 1 Г 1 1 Г • • » • • *.» • * ‘ •** » * • •• • • «•••«• ••• •

12,37 2,98 0,45

ЩтшШШйШШШ 4.01 §§

0,88 0,57 0,12

-1 •в % • V. . V *• . V* ! V! • • • . * • - • .і«,«.«..,.««.. Ж . ” • • . ;* *. \\viv.v • \ • % • >•••••••- • • ••••••*( • • •

18,50 3,42 0,55

Кроме того, определив по результатам геологического бурения величины тт и <5, можно ответить на вопрос о характере протекания процессов в трещинах и на этом основании определить степень необходимости технического моделирования того или иного слоя просевших трещиноватых пород.

Описанный механизм образования водопроводящих трещин в массиве горных пород под воздействием процессов фильтрации, в основном, характерен для зоны локальной трещиноватости, где трещины не образуют сквозных водопроводящих каналов и имеют небольшую толщину.

В настоящее время особый интерес представляет характер протекания фильтрационных процессов в трещиноватом массиве с развитой сетью водопроводящих каналов, обладающих значительными размерами и являющихся предпосылкой прорыва воды в выработку.

Прорыв подземных вод является одним из важнейших проявлений деформаций, с которыми приходится сталкиваться при подработке массива. Наиболее часто эта ситуация складывается при проходке выработок в относительно водоупорных породах при несниженных напорах в соседних горизонтах. В результате подчас оказываются затопленными или заполненными суспензиями километры подхемных выработок.

Прорыв начинается нарушением сплошности водоупорной перемычки под влиянием гидростатических и гидродинамических сил, после чего в выработку поступает вода и механическая взвесь. Последняя часто образуется вследствие фильтрационного выпора водоносных пород в образовавшуюся при прорыве водопроводящую зону. При этом первоначальная деформация перемычки (до нарушения ее сплошности), практически независящая от водообильности напорного пласта, может развиваться по двум направлениям:

1) в виде поперечного сдвига — при небольшой ширине выработки, соизмеримой с мощностью водоупорной пермычки, что характерно для выработок подготовительного типа;

2) в виде прогиба — при больших размерах, характерных для очистных выработок.

Во втором случае силовое воздействие воды обычно не является определяющим на фоне таких горно-геологических факторов, как: перераспределение напряжений от веса пород вблизи выработки; образование техногенной трещиноватости. Это положение тем более справедливо, если учитывать влияние интенсивного защитного дренажа, предваряющего очистные работы.

Нами будет рассмотрен первый из упомянутых случаев. Для определения условий прорыва воды через макротрещины массива горных пород, в первую очередь необходимо найти избыточный напор НПр, приводящий к образованию прорыва. Для этого воспользуемся условием предельного равновесия и схемой рис. 4 [5]:

и =т / 2с ч _ іт пр То V 0 Ь-^тідр ) ~ Уо

+ 2

Ъ)

где у=яп

— удельный вес пород водоупорного слоя;

^ — плотность пород;

С — сцепление;

£ — коэф. бокового давления;

5 — угол трения;

тс — общее сопротивление сдви-

гу;

плотность воды.

Рис. 4. Схема к оценке гидродинамической ситуации на участке возможного прорыва подземных вод

1 — водоупорный породы типа глин;

2 — породы типа песков.

ботки 6=5,5 м и рассмотрев случай прорыва воды через і = 1,2...5 пластов, получим величинну напора прорыва воды НПр - 0,2 МПа через один пласт и ЯЛ/г=0,4; 0,6; 0,8;

1 МПа соответственно, в зависимости от количества пластов.

0,089

0,180

109,6

18,08

109,6

Зная величину избыточного напора, можно определить интенсивность фильтрации (избыточный приток воды) через микротрещины, вывзывающую затопление выработок [7]:

2ЛЬ'Нпр

где Ь— длина участка выработки,

м;

х — расстояние от границы области питания до оси выработки, *=15 м; л?=3,14;

к„ — коэф. фильтрации пород, м/с;

к6 — кожф. фильтрации через болотную крепь выработки, м/с;

й — толщина крепи, м;

{3 — приток воды в выработку через макротрещины массива горных пород, м3/с.

Так как нами рассмотрен случай незакрепленной выработки, то формула (7) преобразуется в следующую:

ЪгШпрК,

V* 1п

где гь— радиус выработки в черне.

Аналогично рассмотренному случаю фильтрации воды через зону локальной трещиноватости, по формулам (3)-(4) определим параметры кп и V для зоны интенсивной трещиноватости и зоны образования системы сквозных водопроводящих каналов. Полученные результаты сведены в таблицу 3.

Основывался на полученных данных определены параметры интенсивности фильтрации

Полученные зависимости между интенсивностью фильтрации через макротрещины и микротрещины и напором подземных вод отражены на рис. 5, 6. Из полученных зависимостей следует, что напор подземных вод играет одно из ведущих значений в усилении интенсивности фильтрации через трещины. С ростом напора подземных вод приток воды к выработке через водопроводящий канал резко возра-

Таблица 4

стает, что приводит к увеличению раскрытия трещин и выносу через них значительных масс воды и частиц разрушенной породы.

Задача вскрытия закономерностей между напором подземных вод и величиной раскрытия трещины решалась на основании следующих положений. Согласно закону Дарси, между средней скоростью фильтрации и градиентом давления существует линейная связь [4]:

пр

Т огда ёгас! НПр =

тиУ

К

пр

Подставляя в формулу (10) выражение

(1)-(3), получим:

%га(1 Нпр = 23,2

V

т2'хд2

(5,м дга<3 Н

4Л 1 • ТУ у&ж жШШ . ., .. . ..... . . . . . 379,5 у.-. .-.у.- .- - . • . г ... • у у.*.*,*. У.•. У.‘.У.У '.V V.*. * -У-У»У-*-*-У-У-'. -У.У-*.У * . .* .•-*-* "... *-У -У«*'.'.У.'.'

0,05 44,5

I ЩШЩЙ Шт ШЩШШI Ж::: ЩШШвШ 17,6 ..... • ... . . . . ......... , . , , • . Г. . Л'Л'ЛЧ*.*.У,Л,ЛГЛУ»*.*Л'Л.’Л*Л* • - • . . Л'.'.УЛ*

0,15 10,3

1

0,25 5,1

,у>Х*Х<ХуХ-Х^Х«Х,ХуХХуЖ#>Л>ХуХуХу* ХуХ Х\уХ*Ху!‘ ••• .*ЛУ *-уХ • • • # • « • I • • » • 1 « • ' • • а • | • I | • | 1 I а м 1 1 1 | | 1 1 » 1 1 1 • * • * » • * • •••••**- • • • - • **•»••• •• • • * ’ • • • « • « • • • «_«_• * 4 » ' * • * « • • * * • • ¡Ш111Ш1: шшшшшшшш ,т. •••• «•••-• - 4.1« 1«. ,1.1*4« 11111111«« I I •*•!••• *.*•* ‘

0,4 2,8

швжишШ •

Анализ полученных зависимостей показывает на резкое падение градиента напора с увеличением раскрытия макротрещин. Падение градиента напора при фильтрации по микротрещинам имеет плавный характер. Это объясняется тем, что при движении подземных вод по зоне локаль-

Полученные зависимости градиента напора при фильтрации через макро- и микротрещины отражены в таблицах 5, 6 и на рис. 7, 8.

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Н, Ша

Рис. 5. Зависимость между интенсивностю фильтрации черех макротрещины и напором подземных вод

Рис. 6. Зависимость интенсивности фильтрации через макротрещины от величины напора подземных вод

grad Н

Рис. 7. Зависимость градиента фильтрации от величины раскрытия макротрещин

нои трещиноватости усиление напора вод приводит к увеличению уже имеющихся тонких трещин и к стабилизации процесса фильтрации за счет закупорки мелких трещин продуктами разрушения породы.

может привести к образованию в массиве явлений плывунности и псевдоплывунно-

сти. Следовательно, задача управления фильтрационными свойствами должна сводиться к изысканию методов воздейст-

10 , м

Рис.8. Зависимость градиента напора подземных вод через микротрещины от величины их раскрытия

вия на массив горных пород по зональному признаку, т.е. необходимо различать участки массива, где управление может сводиться к воздействию на процессы тепло-массопереноса (зона локальной трещиноватости) и участки, где требуется разработка противоофильтрационных завес с параметрами, позволяющими предотвратить прорыв воды в выработки.

Наличие подобных градиентов напора может привести к образованию в массиве явлений плывунности и псевдоплывунно-сти. Следовательно, задача управления фильтрационными свойствами должна сводиться к изысканию методов воздействия на массив горных пород по зональному признаку.

© Е.Ю. Куликова