Типизация гидрогеологических условий затопления шахт

УДК 622.847

О.И. Норватова

ТИПИЗАЦИЯ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ЗАТОПЛЕНИЯ ШАХТ

Семинар № 1

В настоящее время остро стоит вопрос о ликвидации угольных шахт. Оценка условий ликвидации шахт базируется на результатах гидрогеологических прогнозов, учитывающих геологические условия затапливаемой шахты. Одним из основных требований к гидрогеологическим прогнозам является необходимость оценки водопритоков в затапливаемую шахту в зависимости от уровня затопления горных выработок. Это требование обусловлено нелинейной зависимостью притоков подземных вод в шахту и уровней вод в затапливаемых выработках. Величина водопритока на конечных этапах затопления определяет производительность очистных сооружений, при частичном затоплении - производительность водоотлива. Скорость затопления влияет на сроки ввода в эксплуатацию очистных или водоотливных сооружений.

Схема формирования водопритоков в затапливаемую шахту определяется путем анализа режимных наблюдений за притоками в горные выработки в период эксплуатации этой шахты. При анализе устанавливается связь водопритоков в шахты с условиями подработки водоносных горизонтов, вынимаемой мощностью пластов и другими горно-геологическими факторами.

Лаборатория гидрогеологии и экологии ВНИМИ занимается проблемами затопления шахт в течение последних 10-15 лет, с начала реструк-

туризации угольной промышленности, приведшей к мокрой ликвидации многих нерентабельных шахт. Проводимые ранее исследования касались в основном этапов разведки угольного месторождения, и проектирования и эксплуатации горнодобывающих предприятий. Оценка условий затопления шахт требует совершенствования гидрогеологической схематизации и методики прогноза.

В этой связи одной из задач наших исследований являлось установление закономерностей формирования водопритоков в затапливаемые горные выработки шахт. Типизация гидрогеологических условий затопления шахт была создана в рамках разработки методики анализа и прогноза условий затопления угольных шахт при гидрогеологическом обосновании проводимых инженерных мероприятий.

Скорость затопления шахты определяется фильтрационными характеристиками среды и величиной водопритока, поступающего в шахту. Чаще всего приток затопления меняется во времени. Закономерности изменений водопритоков в затапливаемые шахты определяются характером природнотехногенных гидрогеологических структур, сформировавшихся при ведении очистных горных работ.

Важнейшим элементом гидрогеологических структур, сложенных слоистыми толщами метаморфизованных угленосных отложений, является техногенный гидрогеологический ком-

о

о

при эксплуатации

.о

о

>**т

Р, Р3 Р

при затоплении

Рис. 1. Гидрогеологические условия первого типа

плекс. Этот комплекс представлен породным массивом, нарушенным техногенными водопроводящими трещинами, дезинтегрированными породами, заполняющими выработанное пространство, а также непогашенными горными выработками. Мощность комплекса определяется высотой зоны водопроводящих трещин и может составлять десятки и первые сотни метров. При эксплуатации шахты техногенный комплекс осушен, давление в его пределах равно атмосферному, он является областью разгрузки подземных вод; после затопления шахты этот элемент гидрогеологической структуры рассматривают как водоносную систему, которая характеризуется аномально высокой проводимостью, в частности, в зоне обрушения и в зоне развития трещин расслоения. Положение техногенного комплекса относительно других элементов структуры определяет ее тип и закономерности изменения водопритоков при затоплении шахты.

Водопритоки в подземные горные выработки в периоды эксплуатации и затопления шахт формируются, как правило, за счет приповерхностного водоносного комплекса, приуроченного к верхней части угленосной толщи - к зоне повышенной природной трещиноватости. При схематизации структур, или условий затопления

шахт, нами предлагается выделять три основных структурных элемента: техногенный водоносный комплекс, образованный при ведении очистных работ, перекрывающую его относительно водоупорную толщу и приповерхностный водоносный комплекс. Характер гидравлической связи приповерхностного и техногенного комплексов положен в основу разработанной типизации природно-техногенных структур.

Мы выделяем четыре типа гидрогеологических условий затопления, характерных для мульдообразных структур. В условиях первого типа приповерхностный комплекс отсутствует, толща представлена слабопроницаемыми отложениями, техногенный комплекс достигает земной поверхности. При эксплуатации шахты водоприток зависит от площади подработки земной поверхности.

Во втором случае зона водопроводящих трещин техногенного комплекса достигает приповерхностного водоносного комплекса, в период эксплуатации водоприток зависит от периметра очистных работ. В условиях третьего типа техногенный комплекс отделен от приповерхностного пачкой ненарушенных слабопроницаемых отложений, водоприток в работающую шахту формируется за счет перетекания из приповерхностного водо-

н„.| Р2 Р'- Нтах- т < Н

Рис. 2. Гидрогеологические условия второго типа

о

''т

о

при эксплуатации

о

Р2

О* при

затоплении

носного комплекса и зависит от площади очистных работ.

Четвертая схема представляет собой комбинацию второй и третьей, и зависимость притока от площади очистных работ имеет не прямолинейный, а более сложный характер. Таким образом, хронологический график изменения притока в шахту при ее эксплуатации может служит критерием выбора типа гидрогеологических условий и соответствующей расчетной схемы.

Анализ геологического строения структуры и выявление закономерностей изменения водопритока в шахту в период эксплуатации позволяет прогнозировать характер изменения притока в шахту при ее затоплении.

Для условий первого типа водопри-ток, формирующийся за счет инфильт-рационного питания, остается постоянным на протяжении всего периода затопления. Для остальных схем он будет закономерно снижаться. Во второй схеме приток, поступающий из приповерхностного комплекса, будет уменьшаться по мере повышения уровней в нем, в третьей схеме по мере затопления уменьшение перепада напоров приведет к снижению расхода перетекания. В четвертой схеме инфильтра-ционная часть водопритока будет оставаться постоянной, а часть, формирующаяся за счет перетекания, будет уменьшаться во времени.

Таким образом, относя условия затопления шахты к одному из выделенных типов, мы прогнозируем очень важный фактор - будут ли выработки затапливаться с постоянным расходом, или расход затопления будет снижаться во времени и по какой закономерности. Таким образом, выделенные типы условий определяют расчетную гидродинамическую схему при выполнении прогнозных оценок.

При прогнозе затопления шахт в сложных гидрогеологических условиях - второго, третьего и четвертого типа - целесообразно использовать численное моделирование геофильт-рационных процессов. В этом случае выделенные основные структурные элементы определяют и структуру геофильтрационной модели. При использовании численного моделирования анализ эксплуатации и прогноз условий затопления горных выработок выполняется в рамках единой численной модели.

Предложенная типизация позволяет не только определить сложность и выбрать методы прогноза условий затопления, но и планировать направленность гидрогеологического мониторинга, сопровождающего затопление и призванного контролировать производственную и экологическую безопасность ликвидационных работ.

Р

О

О і

при эксплуатации

О

'**т

О

при затоплении

Рис. 3. Гидрогеологические условия третьего типа

схема IV

Графики изменения водопритоков при эксплуатации

О

О

Р,

(Итах- т) > Нз

Рис. 4. Гидрогеологические условия четвертого типа

О

О

при затоплении

В простых условиях первого типа пьезометры оборудуются на затапливаемые выработки. В условиях второго типа основным объектом наблюдений будет являться приповерхностный комплекс, и пьезометры, кроме затапливаемых выработок, должны оборудоваться на приповерхностный комплекс в пределах площади подработки и за ее пределами. В условиях третьего типа дополнительно к скважинам, рекомендуемым для предыдущей схемы, целесообразно оборудовать пьезометры в слабопроницаемых отложениях. В условиях четвертой схемы пьезометры в обязательном порядке должны быть оборудованы на

затапливаемые выработки, слабопроницаемую толщу и приповерхностный водоносный комплекс.

На практике, к сожалению, гидрогеологическая сеть наблюдений чаще всего отсутствует и единственно доступные наблюдения в период затопления шахты - это наблюдения за уровнем шахтных вод в затапливаемых выработках по стволам. Таким образом подход, реализованный в предложенной методике, представляется весьма перспективным, так позволяет прогнозировать режим затопления шахты на основе целенаправленного анализа сведений о водопритоках в шахту в период ее эксплуатации.

Р

2

Р

Р

— Коротко об авторах---------------------

Норватова О.И. - ВНИМИ, Санкт-Петербург.

© М.М. Яковчук, А.В.Овчинников, И.К.Рсшстов, 2007

УДК 624.131.2

М.М. Яковчук, А.В.Овчинников, И.К.Решетов

ОСОБЕННОСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ МЕЛ-МЕРГЕЛЬНОЙ ТОЛЩИ ПОРОД В ЦЕЛЯХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИХ В КАЧЕСТВЕ ОСНОВАНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Семинар № 1

Исходным материалом для написания статьи явились результаты полевых и лабораторных исследований авторов, а также данные анализа фондовых и опубликованных источников (Горькова И.М., 1962; Перцовский Ю.М., 1962; и др.).

На отдельных застроенных территориях Центрально-Черноземного региона основанием гражданских зданий и промышленных сооружений являются мел-мергельные грунты. В пределах строительных площадок участились случаи деформирования зданий расположенных на указанных грунтах. Деформации проявлены в виде трещин разрыва на кирпичных стенах зданий, зиянием между стенами и несущими конструкциями зданий (колонн, панелей, перекрытий), осадкой и провалами земной поверхности вокруг построек и сооружений. Подобные нарушения связаны, прежде всего, как с природными факторами (геологическим строением и литологопетрографическим составом меловых толщ), так и техногенными (этапы проектирования, строительства и эксплуатации).

Для инженерно-геологической характеристики пород определяется предел их прочности на одноосное сжатие в сухом и водонасыщенном состоянии, степень трещиноватости и выветрелости, химическая стойкость

против растворения и выщелачивания. Также определяется крепость пород (т.е. их суммарное сопротивление разрушению при разработке). Коэффициент крепости плотного массивного мела и мергеля составляет 2, а рыхлых выветрелых разностей этот показатель снижается до 0,8. Твердость мела, являющаяся одним из важных механических свойств, по шкале Мооса меньше единицы. В инженерно-геологических целях мел необходимо испытывать при естественной влажности.

Деформационные особенности мела детально рассмотрены в работе (Пузыревская Т.Н., 1952), в которой изложены результаты исследований упругих свойств и деформируемость сухого и водонасыщенного мела (сопротивление раздавливанию, всестороннему сжатию, сдвигу и др.). В отмеченной работе сделан вывод об отсутствии пластического течения в мелу и способность его к упрочнению под нагрузкой во времени.

Разброс значений различных параметров мел-мергельных пород зависит, прежде всего, от генетической принадлежности, литологического состава и стратиграфического положения указанных пород. Полевые наблюдения в меловых карьерах и результаты лабораторных исследований мела выявили следующее.

І

Рис. 1. Виды карста в мелах

Мел-мергельная толща в вертикальном разрезе стратиграфически имеет три положения: толща перекрывается глинистыми, песчаными осадками, либо непосредственно выходит на земную поверхность или покрывается маломощным (0,3-0,7 м) почвенно-растительным слоем.

Нередко перекрывающие песчаноглинистые (супесь-суглинистые) отложения обводнены, что отражается на прочностных и деформационных характеристиках грунтового основания. Литологический вертикальный разрез самой мел-мергельной толщи так же имеет неоднородное строение мел-мергельной толщи

Зональность толщи обусловлена чередованием слоев чистого мела, глинистого мела и мергеля, либо органогенного, кристаллического (химического) и разжиженного (пастообразного) происхождения. Степень выветрелости меловой толщи различна: от дезинтегрированного состояния через трещиноватый мел до массивной и плотной текстуры в вертикальном разрезе (сверху вниз). Важным геологическим фактором, влияющим на устойчивость грунтового основания, является закарстованность меловой толщи (рис. 1).

Карст в мелах представлен в двух видах: первый имеет сводовый харак-

тер (I) и чаще всего наблюдается в случае перекрытия мел-мергельной толщи только почвенно-растительным слоем; второй имеет воронкообразную форму (II) и является погребенным карстом, выполненным перекрывающимися песчано-глинистыми отложениями с выветрелыми и ожелез-ненными обломками мелкозернистого песчаника кварцевого состава.

Отмеченные геологические особенности строения мел-мергельной толщи, а также гипсометрическое положение ее кровли сказывается на просадочных и деформационных характеристиках грунтов, являющихся основанием для фундаментов зданий и сооружений.

В меловой толще, в настоящее время, возможно проявление карсто-во-суффозионных процессов в силу техногенного влияния и воздействия, обусловленного утечкой вод, прокладкой теплотрасс, различного рода водонесущих коммуникаций (водопроводы, ливнестоки, канализация). Именно утечка воды из них в первую очередь приводит к усилению карсто-во-суффозионных явлений, поскольку воды имеют агрессивный характер, кислотно-щелочной состав, повышенную температуру, суммарно вызывающие повышенную интенсивность

Рис. 2. Стадийное развитие оседаний поверхности, вызванных карстом в мелях

растворения мела, а, следовательно, и карстово-суффозионных процессов. Схема оседания земной поверхности отражена на рис. 2.

Перекрывающие породы состоят из суглинков, песков и выветрелых обломков песчаника палеогенового возраста. Указанные отложения выполняют пустоты и открытые трещины в подстилающих мелах. Вымывание тонкого материала приводит к образованию полостей, разрыхлению перекрывающей «арки» и разрастанию полостей в сторону поверхности земли, особенно после сильных ливневых дождей. Это, в свою очередь, создает под дорогами или домами, зданиями, благоприятные условия для обрушения. Эти, хотя и опасные, но относительно мелкие обрушения могут достигнуть значительно больших размеров, если имеется связь трещин с крупными карстовыми полостями в мел-мергельной толще. На рис. 2, I и II показано неповрежденное основание, а на III и IV - поврежденное основание. Рис. 2, IV отражает случай с обрушением, распространившимся к земной поверхности.

При развитии жилищного строительства в районах с мел-мергельными грунтами в качестве оснований фундаментов должны использоваться заполненные бетоном траншеи, которые проходятся до кровли коренных пород. Все пустоты, встречаемые при

проведении земляных работ, заделываются в индивидуальном порядке. Для высоких зданий при значительной мощности рыхлых перекрывающих меловую толщу отложений следует применять буронабивные сваи большого диаметра, что позволяет одновременно исследовать основание и осуществлять расчистку и заделку полостей. Для сооружений, особо чувствительных к осадке, (резервуары для воды, нефти и т.п.) необходимо удалить поверхностные отложения на всей стройплощадке до кровли коренных пород, промыть ее струей воды, чтобы обнажить все карманы, трещины, карстовые пустоты, залить их бетоном и подготовить таким образом надежное основание для строительных конструкций.

Песчано-глинистые поверхностные отложения, перекрывающие трещиноватые мел-мергельные породы, могут постепенно вмываться в трещины подстилающих пород, что приводит к провалам земной поверхности. Следует учитывать, что верхняя часть меловой толщи мощностью от 5 до 1015м является ослабленной зоной, т.е. корой выветривания, которая также может быть отнесена к рыхлым образованиям. Эта зона сложена дресвой, щебнем, крошкой и порошкообразным мелом. Поэтому кровлей коренных пород в толще будет являться нижняя граница развития коры вы-

ветривания, ниже которой развиты мела плотные и массивные. Следует иметь ввиду и то обстоятельство, что конфигурация указанной границы может иметь извилистую и зигзагообразную форму, которая напрямую зависит от тектонических особенностей мелов. Установлено, что в мелах широко развиты вертикальные трещины и ослабленные зоны, вдоль которых на глубину возможно развитие и ныряние нижней границы коры выветривания мел-мергельных пород.

Тектонические нарушения в меловой толще также являются благоприятным фактором для развития кар-стово-суффозионных явлений. Вынос тонкодисперстного материала из области развития суффозии может производиться по горизонтальным трещинам, широко развитым в мелах, в направлении области разгрузки. Областями разгрузки являются поймы и долины рек, подножия крутых склонов. Подмечено, что карстово-суф-фозионные процессы в мел-мер-гельной толще наиболее интенсивнее проявляются на водоразделах (возвышенностях и утесах), на участках со значительным гипсометрическим перепадом расположения областей питания и разгрузки. На участках с пологими склонами и небольшой вертикальной разностью абсолютных отметок, интенсивность явлений раство-

рения и размыва мел-мергельных пород резко снижается. Указанное обстоятельство следует учитывать при выборе территорий для застройки.

Выводы

1. При строительстве высотных зданий с применением столбчатых фундаментов в закарстованных и трещиноватых мел-мергельных породах рекомендуется применять предварительное бурение скважин под каждый столб и цементацию трещиноватой зоны в соответствии с распределением напряжений. Таким образом, будут преодолены трудности, связанные с необходимостью передачи больших нагрузок на основание, сложенное трещиноватыми и вывет-релыми мелами.

2. В ходе проведения проектноизыскательских работ требуется детальное изучение литолого-страти-графического разреза мел-мергельной толщи с целью выявления зональности строения и физико-химических условий образования различных литоти-пов морской фации и меловой формации пород.

3. Колонковое бурение скважин необходимо осуществлять с полным отбором керна, данные детального изучения которого явятся информативным материалом для построения инженерно-геологической модели грунтового основания.

— Коротко об авторах----------------------------------------------------------

Яковчук М.М. - кандидат геолого-минералогических наук, доцент,

Овчинников А.В. - аспирант,

Белгородский государственный университет, Белгород, Россия

Решетов И. К. - доктор геолого-минералогических наук, профессор, Харьковский национальный университет, Харьков, Украина

А