Особенности сдвижения горных пород при шахтной и скважинной разработке пологого угольного пласта

Г.В. Орлов

ОСОБЕННОСТИ СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ШАХТНОЙ И СКВАЖИННОЙ РАЗРАБОТКЕ ПОЛОГОГО УГОЛЬНОГО ПЛАСТА

Семинар № 1

ш Ж ри шахтной добыче полезных

-И. ископаемых одним из основных факторов, оказывающих существенное влияние на технологию разработки, является сдвижение горных пород и земной поверхности над выработанным пространством. Ожидаемые характер и параметры процесса сдвижения горных пород определяют вместе с другими факторами выбор системы разработки, тип и параметры крепи выработок. Главное внимание при этом уделяется обеспечению безопасного ведения горных работ, полноты извлечения полезного ископаемого, а также сохранности зданий, сооружений, водоёмов и других наземных и подземных объектов, попадающих в область сдвижения.

Скважинные методы добычи исключают необходимость обеспечения безо-пасного ведения работ под землёй, а к остальным вопросам добавляются специфические, усиливающие по сравнению с шахтной разработкой значение фактора сдвижения подработанной толщи пород. Наиболее полно изучено влияние сдвижения горных пород на процесс подземной газификации углей (ПГУ).

Подземный газогенератор является главным сооружением предприятия «Под-

земгаз» и представляет собой совокупность устройств, обеспечивающих выгазо-вывание определённого участка угольного

Рис. 1. Схема выгазовывания угольного пласта с применением вертикальных скважин

пласта. Он состоит из наземной и подземной частей. Наземная часть включает в себя трубопроводы для подачи дутья (воздуха, паро-кислородной смеси и др.) и отвода газа. Верхняя часть кондуктора скважин оборудована приборами контроля и устройствами для управления процессом ПГУ. Подземная часть газогенератора состоит из скважин, соединённых по угольному пласту между собой или с очагом горения каналами. Для создания первоначальных каналов газификации и соединения скважин с ними наиболее часто применяют фильтрационную сбойку, гидравлический разрыв пласта и бурение горизонтальных каналов по угольному пласту (рис. 1).

Рассмотрим влияние сдвижения горных пород на отдельные стадии процесса газификации. Как показал опыт промышленной эксплуатации подземных газогенераторов в условиях Подмосковного буроугольного бассейна (Подмосковная и Шатская станции «Подземгаз») и Средней Азии (Ангренская станция «Подземгаз») при вскрытии угольного пласта и создании первоначальных каналов газификации бурение вертикаль-

о Л о

ных скважин осуществляется в неподра-ботанном породном массиве. С расширением каналов газификации происходит обрушение пород непосредственной кровли угольного пласта и сдвижение вышележащей толщи пород. В этих условиях вертикальные скважины для развития работ по выгазовыванию угольного пласта приходится бурить по подработанной породной толще с большими затратами.

Беспорядочное обрушение пород над выгазованным пространством приводит к сокращению реакционной поверхности угольного пласта, увеличению потерь дутья, газа и тепловых потерь в обрушенных породах, к возникновению периферийных дутьевых и газовых потоков в подземном газогенераторе, снижающих эффективность технологического процесса. Наличие водопроводящих трещин может вызвать интенсивный приток воды из вышележащих водоносных горизонтов в канал газификации и нарушить процесс газообразования.

В то же время равномерное заполнение выгазованного пространства сдвигающимися слоями пород обеспечивает уплотнение рыхлого зольного остатка в подземном газогенераторе и способствует направленному движению потоков дутьевого реагента и газа по контакту с реакционной поверхностью, стабильности состава газа и более полному выгазовыванию запасов угля. Таким образом, характер сдвижения подработанных пород непосредственной кровли угольного пласта оказывает существенное влияние на процесс газообразования уже на начальной стадии газификации.

При достижении выгазованного пространства определённых размеров вслед за породами непосредственной кровли угольного пласта в процесс сдвижения вовлекаются

слои вышележащих пород, в результате чего обсадные колонны скважин, расположенных в области сдвижения горных пород, испытывают неравномерные по длине нагрузки и могут быть деформиро-

ваны. Величина и характер этих нагрузок определяются отрабатываемой мощностью пласта, прочностными характеристиками пород кровли и расположением скважин относительно границ выгазованного пространства.

Исследованиями, выполненными в условиях подземной газификации мощного (до 20 м) пологого угольного пласта Ан-гренского месторождения на глубине 100200 м, установлено, что значительная часть вертикальных скважин преждевременно выходит из строя, не отработав подготовленных ими запасов угля, под воздействием сдвижения горных пород. Прогнозирование возможных деформаций эксплуатационных скважин связано не только с необходимостью управления процессом выгазовывания угольного пласта и стабильного получения кондиционного газа, но и с предотвращением возможного загрязнения продуктами газификации надугольных водоносных горизонтов через нарушенные обсадные колонны газоотводящих скважин.

Всё изложенное свидетельствует о значительном влиянии сдвижения горных пород на процессы добычи полезных ископаемых скважинными методами. Технологические параметры и специфика процесса добычи определяют формы выработанного пространства и характер сдвижения вышележащей толщи пород, которые, в свою очередь, оказывают непосредственное влияние на стабильность ведения технологического процесса и его технико-эконо-мические показатели. При определённых размерах выработанного пространства процесс сдвижения горных пород достигает земной поверхности, вызывая деформации трубопроводов и других наземных сооружений. Поэтому изучение особенностей сдвижения горных пород и земной поверхности при методах физикохимической добычи полезных ископаемых является важным и необходимым условием для совершенствования этих методов и широкого их промышленного освоения.

Исследования процесса сдвижения предусматривали установление общих закономерностей и различий в поведении горных пород и земной поверхности над шахтными выработками и участками газификации (подземными газогенераторами). К участкам наблюдений предъявлялись определённые требования. Во-первых, лавы и газогенераторы должны находится в близких горногеологических условиях и граничить с целиками угля, а не с выработанным пространством и, во-вторых, в лаве должна осуществляться выемка первого и второго слоёв угольного пласта. С учётом изложенных требований наблюдения были поставлены над двумя лавами шахты № 9 ПО «Средазуголь» и пятью подземными газогенераторами Ангренской станции «Подземгаз».

На участках наблюдений юрские отложения представлены угленосной и каолиновой свитами (рис. 2). Мощность угленосной свиты, состоящей из чередующихся слоёв глин и песчаников, в пределах участков газификации составляет в среднем 10 м, в районе шахтных выработок -27 м. Каолиновая свита имеет везде почти одинаковую мощность (35-37 м) и сложена каолиновыми глинами, запесоченными глинами и песчаниками. В пределах участков газификации выше каолиновой свиты залегают меловые и сузакские отложения, представленные песками, песчаниками и алевролитами. Суммарная мощность их составляет 38 м. Эта толща пород над лавами шахты отсутствует. Алайские отложения представлены известняками одинаковой мощности (около 18 м). В геологическом разрезе над лавами мергели туркестанского яруса отсутствуют; на участках газификации они имеют мощность около 15 м.

Четвертичные отложения на участках наблюдений представлены суглинками

Рис. 2. Геологическое строение породного массива на участках наблюдений

мощностью 10 и 23 м.

Лабораторные испытания показали, что большинство образцов глин и песка, слагающих кровлю угольного пласта, имеют предел прочности на одноосное сжатие 1,12-1,32 МПа и менее. Наиболее крепкие породы (песчаник, известняк) обладают также сравнительно небольшим пределом прочности - 7,4-14,9 МПа. Известняк сильно нарушен трещинами, что значительно снижает его прочность в массиве. Глубина залегания кровли угольного пласта на участках газификации 120-140 м, на шахте - 105-110 м.

Таким образом, несмотря на некоторые различия в мощности покрывающих пород, участки наблюдений находились в близких горно-геологических условиях.

Мощность угольного пласта на шахте

Газозенттор Лаьа 15011

составляла 18 м, угол падения - 8°. В период наблюдений пласт разрабатывался двумя слоями 2,6-3,0 м. Система разработки в слоях - длинные столбы по простиранию. Выемка угля осуществлялась с применением ВВ. Длина лавы - 110 м. По двигание забоя лавы за цикл составляло 2,4 м. Способ управления кровлей - полное обрушение вначале на одной половине лавы, затем на другой. На одном из участков наблюдений выемка угля в лаве осуществлялась с применением очистного механизированного комплекса.

Мощность угольного пласта на участках газификации составляла 3-10 м, угол падения - 5°. Отработка угольного пласта производилась участками (газогенераторами), ширина которых составляла 100-200 м. Вначале бурились скважины розжигового ряда и создавался очаг газификации между ними. Затем очаг горения развивался в одну или обе стороны от розжигового ряда с последовательным созданием опережающих каналов газификации (см. рис. 1). Выгазовывание пласта происходило постепенно по площади и мощности.

Изучение поведения толщи пород при ПГУ проводится с целью решения следующих основных вопросов: установление характера деформаций пород над выработанным пространством и распределения составляющих вектора сдвижения относительно границ газогенератора в плане и по высоте, выявление механизма сдвижения пород впереди движущегося забоя. Постановка этих вопросов диктуется необходимостью обеспечения стабильного, эффективного процесса газификации в подземном газогенераторе и увеличения срока службы эксплуатационных скважин, попадающих в область сдвижения горных пород.

Исследования проводились применительно к условиям работы лав с органной и механизированной крепью, а также к условиям работы подземных газогенераторов. При этом были использованы результаты наблюдений за сдвижением наземных и глубинных реперов в природных

условиях, данные обследования нарушенных эксплуатационных скважин при подземной газификации угольного пласта, данные бурения контрольных скважин с отбором керна на выгазованные участки и результаты экспериментов на плоских моделях из эквивалентных материалов.

Наблюдения за развитием процесса сдвижения горных пород по глубине производилось с помощью глубинных реперов, заложенных в специальные скважины, пробуренные с земной поверхности. Скважины бурились диаметром 150-180 мм и верхний участок их обсаживался кондуктором. Далее скважины проходились без обсадки с отбором керна в местах предполагаемой закладки реперов. Установка реперов осуществлялась сразу же по окончании бурения и каротажа до обрушения стенок необсаженной части скважин.

Конструкция глубинного репера состоит из цилиндрического репера, стального троса и металлических полудюймовых трубок. Металлические трубки служат для защиты троса от повреждения, а также для обеспечения свободного хода его при обрушении стенок скважины. Реперы закреплялись на определённых горизонтах с помощью гравийной отсыпки и цементного раствора. После монтажа реперов к кондуктору скважины приваривался кронштейн с блоками, на которые навешивались тросы глубинных реперов с противовесами.

Наблюдения за сдвижением глубинных реперов включали периодические нивелировки кондуктора скважины и определения положения меток, закреплённых на тросах реперов, относительно кондуктора. Абсолютное сдвижение глубинных реперов определялось путём алгебраического суммирования величины оседания кондуктора скважины и перемещения метки.

Кроме глубинных реперов для выявление характера деформаций породного массива в природных условиях при подземной газификации углей использовались метод обследования обсадных колонн на-

рушенных скважин подземных газогенераторов ориентированным спуском «печати» и данные бурения скважин с отбором керна на отработанных участках.

Одним из наиболее простых и эффективных методов изучения характера сдвижения толщи пород при подземных разработках в лабораторных условиях является моделирование с помощью эквивалентных материалов. Моделирование производилось на плоском стенде длиной 4,5 м и шириной 20 см. В процессе исследований устанавливался характер деформации толщи пород при системах разработки, имеющих место на шахте и станции «Под-земгаз». Имитировались сплошная выемка угольного пласта и система газификации каналами с оставлением целиков между ними. В последнем случае отработка угля велась слоями снизу вверх одновременно во всех каналах. Наблюдения за деформациями толщи пород по мере отработки угольного пласта велись методом фотофиксации, предложенном ВНИМИ.

В результате экспериментов на моделях было установлено, что при сплошной выемке угольного пласта (первичная подработка) распределение составляющих вектора сдвижения носит закономерный характер: максимальные вертикальные

смещения расположены над выработанным пространством и уменьшаются в направлении к целику, горизонтальные сдвижения имеют минимальные значения над центральной частью выработки и максимальные значения - в верхней части толщи над границей между выработанным пространством и целиком. В первую очередь приходят в движение породы над центром выработанного пространства. Затем происходит перемещение пород, расположенных над периферийными участками в направлении сместившейся части массива. Наиболее сложную траекторию имеют точки верхней части толщи пород, где концентрируются максимальные горизонтальные сдвижения.

Деформации пород непосредственной кровли в процессе выемки угольного пла-

ста характеризуются следующим. В первоначальный момент отхода забоя от разрезной печи над выработкой образуется зона беспорядочного обрушения пород. Высота зоны обрушения изменяется в зависимости от вынимаемой мощности слоя. При слое 2 м она не превышает полутора -двухкратную мощность его. Дальнейшее подвигание забоя не вызывает увеличение высоты зоны обрушения и кровля деформируется в виде прогиба пород с разрывом и без разрыва сплошности. Горизонтальные сдвижения вызывают появление трещин в толще пород и на земной поверхности как у неподвижной границы, так и впереди движущегося забоя. Район горизонтальных смещений со стороны неподвижной границы стабилизируется. Впереди движущегося забоя происходит перемещение зоны максимальных горизонтальных сдвижений, что обуславливает появление новых трещин. Величина горизонтальной составляющей вектора сдвижения у неподвижной границы несколько больше, чем у перемещающегося забоя.

Максимальные величины оседаний над выработанным пространством при повторной подработке в 1,5 раза, а горизонтальные подвижки в 2 раза больше, чем при при первичной. Это свидетельствует о значительной уплотняемости пород при сдвижении подработанного ранее массива. Сравнивая между собой данные о поведении толщи пород при первичной и повторной подработке необходимо отметить, что характер сдвижения пород в обоих случаях различен. Если в условиях первичной подработки в результате образования трещин происходит перемещение нижней части толщи пород блоками, то при повторной подработке имеет место смещение пород без образования блоков. При повторной подработке над выработанным пространством в верхней части толщи кроме оседаний возникают и горизонтальные перемещения пород, что не характерно для условий первичной подработки (рис. 3).

Имитация газификации угольного пласта отдельными каналами на моделях осуществлялась отработкой пласта полосами (25-45 м) с оставлением целиков между ними (45-10 м). При отработке угольного пласта над каждым каналом образуется зона беспорядочного обрушения, высота которой в 2-3 раза превышает высоту зоны обрушения пород при сплошной выемке угольного пласта широким фронтом. Распределение горизонтальных сдвижений при отработке угольного пласта полосами носит тот же характер, что и при повторной подработке широким фронтом.

Сдвижение пород над локальными выемочными участками имеет те же закономерности, что и толща пород при сплошной отработке угольного пласта. Над центральной частью выработки происходит смещение породных слоев по нормали. Развитие вертикальных сдвижений вызывает перемещение пород со стороны целиков, расположенных между выемочными участками. Непосредственно над центральной частью целиков горизонтальные подвижки отсутствуют. Наименьший угол наклона вектора сдвижения имеет место в верхней части толщи над внешним целиком; значение его увеличивается по мере удаления в глубь массива и в сторону выработанного пространства.

Общая схема деформации толщи пород при выемке угольного пласта полосами и при сплошной отработке идентична только в верхних её слоях; деформации нижней части толщи пород при выемке угольного пласта полосами имеют более слож-

ный характер из-за образования и взаимного влияния локальных зон сдвижения над выемочными участками (рис. 4).

Инструментальные наблюдения за смещением глубинных реперов, расположенных над угольным пластом с интервалом по глубине через 12-25 м, позволили выявить характерные особенности сдвижения горных пород и земной поверхности в процессе перемещения очистного забоя. Сдвижение глубинных реперов началось на расстоянии 15 м впереди очистного забоя, в то время как оседание земной поверхности было зафиксировано в 20 м от движущегося забоя. При этом вначале оседание глубинных реперов происходило с меньшими скоростями по сравнению с земной поверхностью, затем, на расстоянии 8,5-1,5 м от забоя, скорости сравнялись. Значительное опережение сдвижения пород относительно земной поверхности началось после прохождения забоя под глубинными реперами и продолжалось над выработанным пространством в 4-25 метрах от линии забоя. На расстоянии 26-50 м позади забоя происходило затухание процесса сдвижения. Максимальные разности в скоростях сдвижения глубинных реперов и земной поверхности изменялись от 29 до 40 мм/сутки. Анализ величин оседания и скоростей оседаний глубинных реперов и земной поверхности показал, что процесс сдвижения толщи пород происходил согласованно, без существенных зависаний и расслоения отдельных слоёв пород.

пн

б.

те

/£50

то

?50

500

гя

о

м-

'V--^ ---- *•,

1С°Т7^\' ' Г°7 ! Г'^°"Г)\'

£50 500 ?50 /ООО /£50 /500 0*50 ЛООО 2450 2500 г?5в 3000 3250 3500 5?5О Шб *250 *500

в.

' нм

/500

ГТ~в0-

I1 ¥ ; |г,/ /г и 1ЙМ. 1\1

г» М» ?А? «во «да дев /до глю гглг гя» г?5о зооо аы зш зко *т нШ шо

мм

Рис.. 4. Хараг^^х^! оседанйй?' 5 - из^дин!

тоМ^тг-ыород при о\

та^ьных сдвижений;в - изолинии нап]

ошсщ>Ш*~&^- прс фили ии векторов сдвижений

МП

450 500 Р50 4000 1X50 /500 /?5С £000 £250 £500 г?50 5000 3250 3500 3*50*0001/1150 *500

Рис. 3. Характер сдвижения толщи пород при повторной подработке: а - изолинии оседаний, б изолинии горизонтальных сдвижений, в - изолинии направлений векторов сдвижений

Особенности горизонтальных смещений отдельных слоев пород и земной поверхности по мере подвигания очистного забоя устанавливались на моделях. Вначале, на расстоянии 10-5 м впереди забоя, породы движутся навстречу ему, затем,

после прохождения забоя под ними, горизонтальные подвижки изменяют своё направление на обратное. Над выработанным пространством, в интервале 16-80 м от забоя, следует повторное изменение на-

правления движения и, в конечном итоге, породы занимают близкое к первоначальному положение. Наибольшие горизонтальные смещения претерпевают земная поверхность и прилегающие к ней известняки. Из остальных пород верхней части массива наиболее значительные подвижки испытывают алевролиты. При этом величины горизонтальных сдвижений алевролитов в 2 - 2,5 раза больше, чем вышележащих рыхлых слоев песка. Полученные на моделях данные о формировании максимальных горизонтальных сдвижений впереди движущегося забоя были подтверждены результатами обследования нарушенных обсадных колонн эксплуатационных скважин на подземных газогенераторах

Бурением контрольных скважин с отбором керна на выгазованное пространство были установлены в подработанном массиве зоны с различной степенью деформации слоев пород. Так, зона беспорядочного обрушения пород распространялась на высоту 1,5-1,6 т (т - мощность выгазованного пласта с учётом зольного остатка), а зона деформаций пород, при которых происходит полное поглощение промывочной жидкости при бурении скважин (зона сквозных трещин), составила 5,5-6,6 т. Деформации пород с разрывом сплошности, при которых отмечалось временное полное поглощение промывочной жидкости (зона трещин с гидравлическим сопротивлением), были зафиксированы над выгазованным пространством на расстоянии (14,4-15,0) т. Приведенные данные дают представление о высоте развития зон деформаций с различной степенью нарушенное™ породных слоёв.

Результаты лабораторных и натурных исследований позволили представить механизм сдвижения пород над очистными выработками в условиях отработки пологого угольного пласта в следующем виде. При отходе очистного забоя от разрезной печи (розжигового ряда для подземных газогенераторов) и достижении выработки предельного пролёта происходит обрушение пород непосредственной кровли. На этой

стадии характерным является образование свода обрушений. Вслед за обрушением пород приходят в движение вышележащие слои, которые прогибаются и вызывают сдвижение земной поверхности. Первоначальная стадия обрушения пород имеет место как при шахтной выемке, так и в условиях подземной газификации углей.

Дальнейшее развитие сдвижения пород кровли при рассматриваемых способах выемки имеет некоторые отличия.

— Коротко об авторак ----------------------------------------------

Орлов Г.В. - кандидат технических наук, профессор Московского государств!

университета.

выраоотанным пространством смещаются-------------------------------

в виде блоков, ширина которых определяется шагом посадки непосредственной кровли. В лавах с механизированной крепью непосредственная кровля пласта испытывает прогиб с разрывом сплошности и зона обрушения пород практически отсутствует.

Несколько иной характер деформаций пород имеет место над подземным газогенератором. При системах выгазовывания угольного пласта с применением только вертикальных скважин после проработки канала газификации между скважинами розжигового ряда перпендикулярно ему создаются сбоечные каналы. По мере выгазовывания угля и увеличения ширины этих каналов происходит обрушение пород непосредственной кровли. Таким образом, при подземной газификации впереди линии фронта сплошного выгазовывания угольного пласта, образующегося при расширении канала розжигового ряда, формируются локальные зоны обрушения пород непосредственной кровли в опережающих узких каналах. В процессе подработки слои пород основной кровли прогибаются. Прогиб пород происходит без существенных зависаний отдельных слоёв и приводит к возникновению в верхней части породного массива над целиком угля значительных горизонтальных сдвижений. Максимальные горизонтальные под-

вижки испытывают известняки и алевролит.

Выявленные особенности сдвижения подработанного слоистого массива пород позволяют более обоснованно прогнозировать водопритоки в выработанное про-

странство, участки ожидаемых деформаций обсадных колонн эксплуатационных и технических скважин при шахтной и скважинной разработке пологих угольных пластов.

--------------------------------------- © М.А. ИофисА.В. Гришин,

2005

УДК 622.834

М.А. Иофис А.В. Гришин

ПРИРОДА И МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ДЕФОРМАЦИЙ В МУЛЬДЕ СДВИЖЕНИЯ

Семинар № 1

ш Ш оскольку массив горных пород -1-1 разбит на отдельные микро плиты и блоки, ослаблен тектоническими нарушениями и другими аномалиями, деформации в зоне сдвижения распределяются неравномерно; на выходах тектонических нарушений и на контактах плит и блоков происходит концентрация деформаций, на остальных участках их уменьшение (по сравнению со средними). Поэтому важной задачей является определение местоположение участков, на которых происходит концентрация деформаций, и величин этих деформаций. Задача усложняется тем, что традиционные методы геодезических и маркшейдерских наблюдений за сдвижением грунтовых реперов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга (15,30,50 и более метров), не позволяют определить местоположение и параметры сосредоточенных деформаций, поскольку при этих методах происходит искусственное сглаживание фактического изменения профиля земной поверхности. С другой стороны, увеличение количества грунтовых реперов ведет к повышению объемов и стоимости работ, длительности наблюдений и, как следствие, снижению оперативности получаемой

информации. Для устранения указанных недостатков необходима специальная методика проведения инструментальных наблюдений и обработки их результатов с учетом особенностей развития деформационных процессов в рассматриваемых условиях.

Анализ результатов инструментальных наблюдений показал, что наиболее распространенными видами сосредоточенных деформаций являются ступени, уступы и трещины. Под ступенями будем понимать вертикальные деформации на участках земной поверхности, на которых величина изменения наклона в несколько раз превышает среднее изменение наклона земной поверхности за период наблюдений, при этом направление изменения наклона совпадает с общим направлением изменения наклона на исследуемой территории (рис. 1, а). Уступы отличаются от ступеней тем, что направление изменения наклона на участках их возникновения противоположно общему направлению изменения наклона земной поверхности на этой территории (рис. 1, б). Трещины могут возникать как на участках, где образовались ступени и уступы, так и самостоятельно (рис. 1, в).