Предпосылки прорыва подземных и поверхностных вод в горные выработки

Е. Ю. К УЛИКОВА ИПКОН РАН

Предпосылки прорыва подземных и поверхностных вод в горные выработки

Прорыв воды в горные выработки - один из важнейших видов деформаций, с которыми приходится сталкиваться при подработке массива горных пород. Наиболее часто эта ситуация складывается при проходке выработок в относительно водоупорных породах при несниженных напорах в соседних горизонтах, в результате подчас оказываются затопленными суспензиями километры подземных выработок. Анализ литературных источников показывает, что катастрофические прорывы воды сквозь подработанную толщу нередко сопровождается человеческими жертвами, что делает этот вид геомеханических нарушений массива ещё более опасным. Так, в Японии с 1900 г. до настоящего времени произошло более 20 крупных прорывов воды в горные выработки, в результате которых погибло около 1000 человек, в результате прорыва морской воды в шахту «Workington» (Англия) в 1937 г. погибло 36 человек /6/.

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 её сплошности), практически не зависящая от водообильности напорного пласта, может развиваться по двум направлениям:

1) в виде поперечного сдвига - при небольшой ширине выработки, соизмеримой с мощностью водоупорной перемычки, что характерно для подготовительных выработок;

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

Предпосылкой прорыва воды в выработку является особый характер протекания фильтрационных процессов в трещиноватом массиве с развитой сетью сквозных водопроводящих каналов, обладающих значительными размерами.

Исследованиями отечественных и зарубежных ученых в области установления параметров трещиноватости и прорыва воды в выработки, в основном, посвящены определению безопасной глубины разработки на основе выбора высоты зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством в конкретных горногеологических условиях. Большой вклад в развитие этого вопроса внесли Ю.А.Норва-тов, И.В.Тугаров, П.И.Вишневский, Б.ИЛеваньков, В. П.Приступа, А.М.Рыжов, Ф.П.Стрельский, А.С.Ягунов, С.Г.Авершин, В.А.Мироненко и др. Однако, в этих исследованиях не учитывалась взаимосвязь между безопасной глубиной разработки, избыточными напорами подземных (поверхностных) вод и величиной притока через образовавшиеся каналы и трещины. Следовательно, для расчета избыточных притоков воды в выработки, необходимо установление закономерностей изменения фильтрационных показателей разрабатываемой толщи в пределах зоны водопроводящих трещин.

Исследованиями, проведенными в ИПКОН РАН установлено, что с точки зрения водопроницаемости подрабатываемой толщи, в массиве, около очистной выработки, можно выделить несколько зон. Рассмотрим, которая из этих зон будет наиболее опасна по прорыву воды в выработки (рис. 1).

Рис. 1. Зоны в массиве горных пород, опасные по прорыву водных масс

1 - зона обрушения; 2 и 2' - зона изгиба а покрывающих и подстилающих породах; 3 и 3’ - зона опорного давления (сжатия) а покрывающих и подступающих породах; 4 и 4’ - зона равномерных полных сдвижений и покрывающих породах; 5 и 6 - кривые вертикальных сдвижений земной поверхности и почвы пласта

В зоне обрушения водопроницаемость пород практически неограниченна и притоки в выработку из водных объектов, контактирующих с зоной обрушения, будут равными притоку воды в водный объект (после его дренирования).

В подзоне изгиба и разгрузки с образованием трещин и разрывов, водопроницаемость изменится от весьма большой (на границе с зоной обрушения) до близкой к естественной (вблизи границы с подзоной изгиба без образования трещин и разрывов) . Увеличение водопроницаемости толщи в направлении нормали к напластовав нию определяется, в основном, размерами и взаимным расположением нормальносекущих трещин.

Если образующиеся в слоях горных пород нормальносекущие трещины пронизывают не весь слой и не образуют сквозных каналов, способных проводить воду в гор-

ные выработки, то эти трещины существенно не увеличивают водопроницаемости данных слоев. Следовательно, подзона трещин имеет большую высоту, чем участок повышенной водопроницаемости пород. Поэтому в подзоне изгиба и разгрузки с образованием трещин и разрывов выделяется участок водопроводящих трещин, в пределах которого увеличивается водопроницаемость пород. Этот участок (на рис. 1 он указан пунктирной линией), называющийся зоной водопроводящих трещин, является наиболее опасным по прорыву воды в выработку, а высота данной зоны является критерием безопасной глубины разработки.

Согласно М.А.Иофису на условия образования зоны водопроводящих трещин огромное влияние оказывает знакопеременный характер деформаций, вызванный ведением работ в нескольких пластах. Так, при ведении работв первом пласте происходит его, изгиб и секущие трещины распространяются на глубину, превышающую половину мощности слоя (рис. 2-а). Тот же процесс происходит под влиянием разработки и во втором слое (рис. 2-6). Суммирующее влияние обоих пластов может выразиться в соединении трещин первого пласта, направленных от нижней поверхности слоя к верхней, с трещинами другого пласта, направленных от верхней поверхности слоя к нижней (рис.2-в). В результате происходит образование сквозных каналов, способствующих прорывам воды в выработку. Условием появления подобных каналов является [7]:

_п М2

7тах ’ Кл'Екр

ГД£ — максимальное оседание (про-

гиб слоя);

&Кр — относительная деформация растяжения, при которой горные породы начинают терять сплошность;

М —мощность междупластья;

Ъсл — высота слоя.

В зоне опорного давления водопроницаемость пород близка к естественной, или, благодаря, вертикальному сжатию пород, несколько менее естественной. Согласно Н.Н.Кацнельсону /3 / границу зоны увеличенной водопроницаемости по напластованию не распространяется далее местоположения максимума опорного давления в слоях. При отсутствии данных о местоположении максимума, заграницу зоны увеличенной водопроницаемости пород при пологом залегании принимается нормаль к пласту, проходящая на расстоянии 6-8 м от границы выработки при глубине разработки 100-200 м и 8-12 м - при глубине разработки 200-600 м/1/.

В зоне равномерных сдвижений происходит некоторое закрытие нормальносеку-

щих трещин, в результате чего водопроницаемость пород снижается до значений водопроницаемости в зоне изгиба, а стечением времени может приближаться к естественной водопроницаемости до начала подработки. Однако надо учитывать, что характер изменения водопроницаемости пород с течением времени зависит, в первую очередь, от наличия в подработанной толще глинистых пород. Даже в зоне обрушения породы, содержащие большое количество глинистых веществ, могут слеживаться настолько, что становятся водоупорами. Однако необходимо учитывать не только количество глинистых пластов в массиве, но и расположение их в пространстве. Так, при разработке угольных месторождений, одним из важнейших критериев безопасного с точки зрения возможности прорывов воды ведения работ является соотношение между глубиной разработки, вынимаемой мощности пласта и минимальной мощности глинистых наносов под обводненными породами. При вынимаемой мощности 2,5 и минимальной мощности глины 5-6 м коэффициент безопасности равен 26. При увеличении мощности глин до 11 м и более коэффициент безопасности принимается не менее 20 м /4/.

в.)

Рис. 2. Схена образования трещин при подработке

1 - изгиб слоя под влиянием первого пласта;

2 - изгиб слоя под влиянием второго пластав

3 - суммарный изгиб слоя

Следовательно, водоприток в горные выработки зависит от множества разнообразных факторов. Сочетания этих факторов образуют природные и технологические предпосылки прорывов подземных и поверхностных вод в горные выработки. К природным предпосылкам относят: особенности геологического строение и гидрогеологических условий участков развития горных работ; взаимоположение водоносных горизонтов и горных выработок в массиве углевмещающих пород, гипсометрия угольного пласта и водоупорных слоев, высота столба воды в обводненных горизонтах, число водоносных горизонтов, фильтрационные свойства водосодержащих пород и т.п.

К технологическим факторам относят систему разработки, скорость проведения

Таблица 1

I Предпосылка прорыва подземных вод ХАРАКТЕРИСТИКА

1. Число водоносных горизонтов, залегающих в породах кровли разрабатываемого пласта Чем больше таких горизонтов, тем большая вероятность прорыва воды в горные выработки

2. Соотношение аысотных отметок статического уровня на участках развития горных работ и отметок почвы разрабатываемого пласта Чем ниже средние отметки залегания угольного пласта и выше отметки уровня подугольных вод, тем больше угольный пласт и выработки обводнены.

3. Степень гидравлической связи водоносных горизонтов. Если водоносные горизонты не изолированы надежными водоупорными слоями, а гидравлически взаимосвязаны, возможно поступлении воды из одного водоносного горизонта 8 другой

4. Наличие условий для пополнения запасов воды в водоносных горизонтах за счет инфильтрации воды из поверхностных водотоков.

5. Расстояние от надугольного (подугольного) водоносного горизонта до угольного пласта Чем больше это расстояние, тем меньше вероятность рассредоточенного поступления подземных вод в горные выработки, а также вероятность прорывов воды при нарушении водоупорной защитной пачки.

6. Мощность и фильтрационные свойства водосодержащих пород. Чем больше мощность обводненной части и выше показатели фильтрационных свойств, тем большее количество воды будет поступать в горные выработки при вскрытии водосодержащих пород дренажными устройствами.

7 Водопроницаемость и мощность глин., залегающих в непосредственной кровле и почве разрабатываемого пласта Наличие в непосредственной почве вязких жирных глин, не имеющих трещин или других нарушений, с выдержанной мощностью создает вполне надёжную защиту от рассредоточенного поступлений подземных вод в горные выработки из надугольных и подугольных пластов. Уменьшается вероятность внезапного прорыва воды. |

8. Степень трещиноватости и закарстованности пород Чем больше площадь обводненных зон и размер трещин, тем больше воды содержится в них и больше приток в оды при прорывах. С другой стороны, чем меньше площади обводненных зон, тем сложнее их выявляя буровыми скважинами, поэтому встает необходимость применения геофизических методов.

9. Степень геологической нарушенное™ и трещинова-1 тости разрабатываемого пласта и глин Геологические нарушения, как правило, сильно обводнены за счет скопления подземных аод после нарушения естественного режима питания водоносных горизонтов.

подготовительных выработок, их местоположение относительно друг друга.

Более подробно предпосылки прорывов подземных и поверхностных вод в горные выработки и их взаимовлияние показаны в таблице 1.

Анализ данных таблицы 1 показывает, что перед принятием решения о защите выработок от подземных вод, необходим и в первую очередь определить источник обводнения - из какого водоносного горизонта и в каком количестве возможно поступление подземных (поверхностных) вод в горную выработку, каков режим этого поступления (рассредоточенный приток или из подземных дренажных устройств), каков приток в скважины поверхностного дренажа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бошенятов Е.В., Гвирцман Б.А., Западинский JI.A. Возможность уменьшения безопасной глубины разработки под водными объектами. - М.: «Безопасность труда в промышленности», 1974, № 10

2. Момчилов B.C. Защита шахт от подземных вод. - М.: Недра, 1989

3. Кацнельсон Н.Н. Водопроницаемость пород в зоне опорного давления вокруг очистных выработок. - J1: Труды ВНИМИ, 1971

4. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях - М.: Недра, 1973

5. Справочное руководство гидрогеолога. Изд. 2-ое под общ. ред. В.М.Максимова. -Л.: 1967

6. Int. jurnal of Rock Mechanics and Mining Science and Geomechanics abstracts. Vol. 29, № 2, March 1992.

7. K.Trubetskoy, M.Iofis. The mechanism of failure of layered rock mass over working. Assessment and Prevenion in Rock Enginering. Balkema, Rotterdam, 1993.

8. Куликова Е.Ю. Механизм: и условия возникновения трещинной проводимости породного массива в условиях его подработки. - М.: Горный инф.-аналит. бюллетень, вып.1, 1995

9.Куликова Е.Ю. Исследование водопритоков в очистную выработку при подработке трещиноватого массива. - М.: Горный инф.-аналит. бюллетень, вып.2, 1995

© Е.Ю.Куликова

СТАТИСТИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ТЭК [

Средняя величина потребления газа промышленно развитыми странами в пересчете на одного человека