Морфология зон водопроводящих трещин сдвижения на участках подземных разработок каменноугольных залежей

© А.В. Мохов, 2008

УДК 622.83+553.94622 А.В. Мохов

МОРФОЛОГИЯ ЗОН ВОДОПРОВОДЯЩИХ ТРЕЩИН СДВИЖЕНИЯ НА УЧАСТКАХ ПОДЗЕМНЫХ РАЗРАБОТОК КАМЕННОУГОЛЬНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ

Семинар № 11

Гидрогеологические условия оказывают значительное, в ряде случаев - решающее влияние на геолого-экономическую оценку и технологию освоения угольных залежей. Во многом они определяются величиной притока воды в горные выработки.

В условиях типичной для каменноугольных месторождений низкой проницаемости углевмещающих пород в большинстве ситуаций основными каналами поступления воды в выработки шахт служат водопроводящие трещины искусственного происхождения и среди них - трещины сдвижения.

Оконтуривая выработки и выработанное пространство, эти трещины образуют крупную по размерам водоприемную систему - зону водопроводящих трещин сдвижения (ЗВТС). Зоны трещин простираются на площадях, соизмеримых с площадью разработки, и могут развиться на высоту от нескольких до десятков и сотен метров над выработанным пространством.

Их возникновение предопределяет на неограниченно долгий срок гидрогеологические условия участков угле-разработок. На стадии технической ликвидации и по ее завершению ЗВТС служит каналом выхода шахтных вод и газов на земную поверхность, распространения их в недрах,

движения к охраняемым объектам, включая выработки других предприятий.

Зона водопроводящих трещин сдвижения представляет собой совокупность новообразованных и увеличивших свое зияние под влиянием данного процесса трещин, приобретшую (усилившую) при этом гидравлическую (в сухом массиве - аэродинамическую) связь с «генерировавшим» сдвижение и(или) другим выработанным пространством (выработкой).

В условиях управления горным давлением способом полного обрушения кровли водопроводящих трещины охватывают область обрушения и приурочены к областям прогиба и поднятия пород с образованием трещин целиком или частично. При другом способе управления они связаны с последними двумя областями.

Надежная заблаговременная оценка ожидаемого положения границ ЗВТС имеет, как правило, решающее значение при прогнозировании степени участия различных водоисточников в обводнении шахт и, соответственно, влияния разработок на состояние гидросферы. Знание формы и размеров ЗВТС наиболее важно для оценки степени приближения в плане к водному объекту в недрах или на поверхности.

Формирование и распространение водопроводящих трещин происходит главным образом над очистными выработками, где условия для сдвижения массива наиболее благоприятны. Развитие трещин в почве выработанного пространства, а также вокруг выработок других видов относительно невелико, особенно в условиях пологого и наклонного залегания.

Изучение ЗВТС является предметом масштабных исследований. Специальных работ по изучению их морфологии, однако, не проводилось, и соответствующие выводы базируются в основном на различных теоретических исследованиях и предпосылках, в разной степени подтвержденных натурными данными.

Источником сведений о ЗВТС служат материалы наблюдений за водопроявлениями в горных выработках, режимом подземных вод, результаты опытно-миграционных работ, наблюдений за поглощением промывочной жидкости при бурении, термометрических измерений на участках текущей или завершенной эксплуатации, исследований на моделях из эквивалентных материалов и другие данные. Приведенные ниже выводы сделаны в основном по результатам очистных работ вблизи затопленных выработанных пространств и распространяются на условия пологого и наклонного залегания.

Морфология ЗВТС определяется пространственными очертаниями области распространения водопроводящих трещин. Зона окружена породами, сохранившими свою естественную проницаемость или практически не изменившими ее под влиянием сдвижения, каким бы значительным этот параметр до начала данного процесса ни был.

Вопрос о форме зон долгое время «обходился», либо постулировалось, что они имеют одинаковую -неясно какую конкретно - конфигурацию и различаются только размерами. Фактически постулировалось также, что водопроводящие трещины возникают только в пределах подработанной породной толщи, хотя заведомо очевидным является их распространение также в надра-ботанной части.

Один из первых исследователей вопроса М.В. Сыроватко считал, что ЗВТС пространственно тождественна вовлеченной в сдвижение области массива над разрабатываемым пластом и представляет собой опрокинутую усеченную пирамиду, опирающуюся на выработанное пространство и ограниченную сбоку углами сдвижения. В последующем по мере накопления опыта горных работ выявилась несостоятельность подобной точки зрения в отношении размещения боковых границ зоны.

В работах сотрудников института ВНИМИ вплоть до конца 1980-х гг. утверждалось, что водопроводящие трещины в кровле пласта тяготеют к периметру выработанного пространства, концентрируясь в «плоскостях», соединяющих контуры выработки с границами участков слоев, где их кривизна превышает критические значения. При этом распространение зоны в почве разрабатываемого пласта игнорируется. Соответственно, область распространения трещин имеет в вертикальном разрезе «седловидную» форму [1]. Аналогичные представления изложены в докладе на X Всемирном горном конгрессе (1970 г.) китайского специалиста Лю Тиан-чуана.

По нашим данным распределение водопроводящих трещин только вдоль границ выработанного пространства

является малораспространенным частным случаем и встречается в основном в нижней части подработанной толщи.

В ходе анализа данных о гидрогеологических последствиях подработки затопленных выработок нами был сделан предварительный вывод о субпирамидальном характере зоны над выработанным пространством, постепенно сужающейся по мере удаления от него [2]. Под влиянием исследований автора в публикациях сотрудников ВНИМИ с середины-конца 1980-х гг. ЗВТС стала представляться усеченной пирамидой, опирающейся широким основанием на выработанное пространство. Такая модель вполне подтверждается материалами подработок водных объектов в условиях разделяющих толщ литологически довольно однородного состава.

Однако, как показали последующие исследования автора, эта модель заметно отклоняется от реальной морфологии зон в массивах смешанного состава, а также в ряде других природно-технических обстановок.

В случае адекватности пирамидальной модели натурным явлениям поступление притока воды в подработавшее выработанное пространство из водного объекта должно происходить, естественно, при развитом процессе сдвижения, только после захода забоя лавы под этот водоисточник, то есть при его непосредственной подработке.

Такое развитие гидравлических событий встречается действительно весьма часто. В то же время вполне рядовыми являются случаи, когда приток воды из водного объекта в тектонически спокойной обстановке появлялся при довольно большой удаленности забоя от него.

Так, на одной из шахт Донецкого бассейна поступление воды из затопленных выработок было зафиксировано на расстоянии 50-60 м от них по простиранию, до захода лавы под затопленное выработанное пространство по вышерасположенному пласту. Отработка велась с полным обрушением кровли. Мощность междупластья составляет 64 м. Почва пласта с затопленными выработками сложена здесь пачкой известняков мощностью 15 м (по материалам [3]).

Сходная ситуация возникла на одной из шахт на юге Кузбасса, где очистная выемка длинными забоями с полным обрушением кровли велась вблизи долины реки, под речные отложения которой выходят породы в кровле разрабатывавшегося пласта, сложенные в основном песчаниками. Усиление притока в выработанное пространство происходило при приближении забоя к основанию аллювиальных отложений приблизительно на 150 м.

Резкая дифференцированность начала водопроявлений из водного объекта указывает на возможность неодинакового распространения водопроводящих трещин по отношению к границам выработанного пространства в плане.

Она связана, очевидно, с особенностями развития трещинной расчлененности, в частности, существованием водопроводящих трещин различных видов и дифференцированно-стью их свойств.

Сдвижение генерирует появление различных по морфологии и способу образования водопроводящих трещин. Они формируются в условиях отрыва или скола по уже существующим трещинам или являются новообразованиями.

Зона водопроводящих трещин сдвижения может быть образована

трещинами различных видов. Внутри подработанной толщи они образуются при несвязном прогибе либо про-валивании структурных элементов массива, а в надработанной ее части - при сводовом поднятии и ступенчатом выпирании пород.

Нами выделено несколько групп различным образом ориентированных по отношению к слоям водопроводящих трещин: торцевые (субторцевые), расслоения (внутри слоев и на их контактах) и раздвига (по секущим слои элементам структуры массива).

Эти трещины характеризуются как различными водопроводящими свойствами, так и различным распре делением относительно выработанного пространства.

Данные о водопроявлениях позволяют предполагать, что такие элементы техногенной трещинной структуры развиваются в пределах как подработанной, так и надрабо-танной толщи.

Внутри слоя при его изгибе возникают торцевые и вдоль наслоения довольно слабо раскрытые трещины. Первые из них не «переходят» в смежные ряды (пояса) блоков и слои, а все вместе сообщаются с выработанным пространством посредством других трещин сдвижения. Боковые границы зон этих трещин проходят по контурам участков сверхкритического оседания слоев.

По совокупности морфолого-гене-тических признаков трещины данных разновидностей названы нами объем-нораспределенными как вполне регулярно рассеянные внутри слоя и в массиве.

Рассмотренные выше случаи водо-проявлений связаны с формированием далеко простирающихся от выработанного пространства «ответвлений» ЗВТС из систем объемнораспре-деленных трещин.

Торцевые трещины другого генезиса возникают при существенном различии смещения смежных частей массива в плане, перерастающего в деформации явного скола. Они тяготеют к узким зонам у временных и, особенно, постоянных границ выработанного пространства. Морфологически эти трещины представляют собой широко раскрытые одиночные или эшелонообразно расположенные в кровле и почве полости - кинематические аналоги пустот сместителей сбросов и взбросов соответственно. Типичным является их «сквозной» по отношению к нескольким слоям характер.

Как правило, эти трещины непосредственно открываются в выработанное пространство и оконтуриваю-щие его подготовительные выработки и являются прорывопроводящими каналами.

Их формирование характерно для зон повышенного давления различного происхождения - у целиков по разрабатываемому пласту, под и над целиками на сближенных пластах, а также под склонами контрастных положительных элементов природного рельефа, крупных терриконов. Образованию трещин благоприятствует, кроме того, значительная величина вынутой мощности, высокая прочность углей и вмещающих пород, в итоге - удержание кровли на целиках, длительное зависание кровли выработанного пространства.

По комплексу признаков трещины этого вида названы нами линейноконцентрированными, или контурными, или обреза, как тяготеющие к узким зонам и секущие слои или пачки слоев [2].

Высота распространения трещин обреза над выработанным пространством не превышает обычно 20 м,

глубина развития в почве - первых метров, хотя в ряде природно-технических ситуаций они могут быть намного больше. Так, в Кизеловском бассейне, где развиты весьма крепкие породы, эти трещины могут распространиться у барьерных целиков на высоту свыше 100 м.

Водопроводящий канал может быть приурочен не только к слою пород, но также полости расслоения, формирующейся между относительно зависшим и относительно более осевшим слоями. Эти трещины могут, как подводить воду с периферии к центральной части мульды сдвижения слоев над выработанным пространством, так и создавать ответвления от основной части ЗВТС.

Характер этих трещин выявляется при гидрогеологических наблюдениях в ходе очистных работ на шахте «Чер-тинская» и шахтоуправлении «Физкультурник» (Кузбасс).

На первой из них очистная выемка производилась в условиях поступления воды из затопленного выработанного пространства по вышележащему пласту (до 30 м3/ч), причем водный объект находился на удалении не менее 150 м от границы подрабатывающей лавы в пластовой проекции.

На шахтоуправлении «Физкультурник» очистные работы велись у затопленных выработок за барьерным целиком шириной 100-200 м. Приток в лаву формировался, главным образом, данным водным скоплением.

В обоих случаях общий приток по мере подвигания забоя нарастал, затем, приблизительно с середины столба, стал снижаться и вскоре стабилизировался при сохранении уровня воды в водном объекте. При этом водопроводящий канал имел, по-видимому, лотковидный облик и пе-

ремещался вслед за забоем. Вероятным каналом фильтрации служили здесь трещины расслоения в основании слоя песчаника основной почвы угольного пласта с затопленными выработками, в первом случае, в основании песчаника его основной кровли, во втором.

Таким образом, внутри и в почве слоев известняков и песчаников размеры зоны в плане могут быть значительно, на 100-150 м, шире, нежели в слоях пород глинистого состава.

Распространенным видом водопроводящих трещин служат полости, возникшие при раскрытии пустот «по» сместителю разрывных нарушений в результате раздвига стенок.

Протяженность водопроводящих трещин раздвига может составлять несколько сотен метров, как это имеет место, например, в Львовско-Во-лынском бассейне [4]. Такие же трещины, а также трещины обреза могут развиться на контактах продуктивных пород и секущих магматических тел.

Важной тенденцией служит преимущественное образование в геомеханически автономной области трещин одного из выделенных видов, причем образование остальных происходит в вялотекущем режиме или зачастую практически подавляется.

Натурные данные показывают, что может происходить не только образование и расширение, но также смыкание трещин. Динамизм раскрытости особенно характерен для трещин расслоения и раздвига.

Объемнораспределенные водопроводящие трещины формируются на некотором удалении от выработанного пространства, а обреза - вдоль его границ.

Неодновременность вовлечения различных частей массива в сдвиже-

Рис. 1. Зона водопроводящих трещин обреза

ние, различная трещинностойкость пород, тенденция к консолидации породной среды, предопределяя динамизм трещинной расчлененности, обеспечивают, соответственно, непрерывное, в отдельные моменты весьма значительное изменение размеров, формы и проницаемости ЗВТС.

Из характеристики особенностей формирования и распространения трещинной расчлененности следует, что в общем случае имеет место вполне чёткое обособление областей локализации водопроводящих трещин двух основных видов.

К моменту окончания активной стадии сдвижения в слабонарушенном массиве консервируются долгоживущие водопроводящие трещины объ-емнораспределенные и обреза, и, соответственно, в предельном случае могут возникнуть ЗВТС одной из двух специфических - простейших, или элементарных форм. Характерная форма этих зон в пределах подработанной части толщи показана на рис. 1 (в разрезе).

Состоящие из трещин обреза зоны имеют над выработанным пространством форму «коробки», опирающейся донной частью на него. Соответственно, ЗВТС такого состава имеют в разрезе сходный с седловидным облик.

В массивах однородного литологического состава зона объемнораспре-деленных трещин имеет облик усеченной пирамиды. В условиях смешанного состава происходит отклонение от этой формы за счёт появления систем тех же трещин в виде «ответвлений», приуроченных к слоям жёстких пород - песчаников, конгломератов, известняков. Длина «ответвлений», по-видимому, прямо связана со способностью слоев к зависанию. При наличии в подработанной толще нескольких слоев песчаников и известняков зона приобретает вид «многошляпочного гриба». По-видимому, аналогичную форму подобные зоны имеют также в надработанной части массива.

Положение боковой границы области распространения водопрово-

дящих трещин рассматриваемого генезиса весьма существенно варьирует в зависимости от удаленности слоя от выработанного пространства.

В непосредственной близости над ним длина ответвлений повышенной трещиноватости не превышает обычно 5-8 м. Причиной подобного эффекта служит слабая вовлеченность пород здесь в сдвижение вследствие отсечения трещинами обреза этой области массива от наиболее активно деформирующейся части толщи. По мере удаления от выработанного пространства условия для роста «ответвлений» становятся более благоприятными, однако с некоторого момента их протяженность становится все меньше вслед за снижением размеров вовлекаемой в сдвижение области массива.

Таким образом, морфология ЗВТС находится в зависимости от характера сдвижения массива и его элементов,

Рис. 2. Зона водопроводящих трещин сдвижения над выработанным пространством крупного разрывного нарушения

который в свою очередь определяется литологическим составом, наличием крупных структурных неоднородностей (разрывные нарушения, тела магматических пород, трещины сдвижения предшествующих генераций), размером выработанного пространства в плане, способом управления горным давлением и проч.

Одним их ведущих является структурный фактор. Морфологию ЗВТС над выработанным пространством на участках развития крупного разрывного нарушения в условиях некрутого залегания иллюстрирует рис. 2.

Поскольку для массивов горных пород весьма характерна вещественная, структурная и деформационная неоднородность, рассматриваемые зоны состоят из основной части и в разной степени выраженных ответвлений от нее. В общем случае в ходе консолидации массива видовое разнообразие открытых трещин снижается. К моменту завершения активной стадии сдвижения сохраняются в основном трещины объемнораспреде-ленные и обреза, и ЗВТС приобретает «составной» облик (рис. 3). Такие зоны, основную часть которых составляют объемнораспределенные трещины, имеют наиболее широкое распространение.

Деформационная неоднородность массива может привести к формированию нескольких обособленных ЗВТС вокруг разных выработок «на» одном и том же или других пластах.

Рис. 3. Зона водопроводящих трещин сдвижения

Результатом появления подобных зон становится поступление дополнительных водопритоков из новых источников обводнения в уже существующие или будущие выработки, в том числе, на ранее неподработанном участке.

Сделанные выше выводы находят подтверждение в практике эксплуатации и ликвидации шахт. Их применение позволяет повысить качество информационного обеспечения освое-

ния каменноугольных месторождений и мероприятий по геоэкореабилитации территорий после его завершения.

Публикация подготовлена в рамках Программы фундаментальных исследований ОНЗ РАН «Развитие технологий мониторинга, экоси-стемное моделирование и прогнозирование при изучении природных ресурсов в условиях аридного климата».

------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Безопасная выемка угля под водными объектами /Б. Я. Гвирцман, H. Н. Кацнель-сон, Е. В. Бошенятов и др. М.: Недра, 1977, 175 с.

2. Мохов A.B. Некоторые закономерности формирования водопроводящих трещин на месторождениях угля /Изучение и прогноз гидрогеологических и инженерногеологических условий месторождений полезных ископаемых: Сб. науч. тр./ ВСЕ-ГИНГЕО - М., 1983.-Вып. 150. - С.30-36.

3. Кравченко В.М., Сердула Я.Г. Выемка угольных пластов пологого падения под затопленными выработками. - Промышленноэкономический бюллетень Луганского совнархоза. 1958, № 5. с.41-47.

4. Мохов A.B. Влияние структурнодеформационных характеристик угленосных толщ на распространение водопроводящих трещин /Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1990, -N 2. - С.74-79. ЕШ

— Коротко об авторе --------------------------------------------------------------

Мохов A.B. - ЮНЦ РАН.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 11 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. ИМ. Петухов.