Трансформация гидродинамических характеристик горного массива на участках освоения каменноугольных залежей подземным способом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.16, доктор наук Мохов Александр Вадимович

• Мохов Александр Вадимович
• доктор наук
• 2015

Оглавление диссертации доктор наук Мохов Александр Вадимович

Введение

Глава 1 Теоретические основы техногенной трансформации гидродинамических характеристик и водопроводящей структуры горного массива на участках разработок каменноугольных месторождений подземным способом

1.1 Формирование гидродинамических характеристик горного массива под влиянием осушения и водонасыщения, движения подземных вод

1.2 Формирование гидродинамических характеристик массива под влиянием сдвижения

1.3 Фильтрационная и водопроводящая структура углевмещающего массива в зоне сдвижения

1.4 Зоны водопроводящих трещин сдвижения

1.4.1 Модели высоты зоны водопроводящих трещин сдвижения

1.4.2 Форма ЗВТС

1.4.3 Проницаемость пород внутри ЗВТС

1.5 Влияние сдвижения на режим подземных и поверхностных вод

1.6 Определение проницаемости и измерение высоты ЗВТС

1.7 Трансформация горного массива под влиянием затопления шахт

1.8 Общие выводы

Глава 2 Потенциал техногенных макровоздействий

горнотехнических геосистем каменноугольных регионов

на гидрогеологическую обстановку

2.1 Природные и техногенные блоки ГТС

2.2 Трансформация природных условий угольных объектов

2.3 Общие выводы

Глава 3 Исследование закономерностей формирования пустотного пространства каменноугольных месторождений и его гидродинамических

характеристик под влиянием сдвижения

3.1 Закономерности сдвижения и деформаций горных пород вокруг очистных выработок

3.1.1 Формирование трещинной расчленённости пород

3.1.2 Новые данные о закономерностях сдвижения земной поверхности над очистными выработками

3.1.3 Модель оседания пород над очистными выработками на участках разработки пологих и наклонных пластов средней мощности и мощных в условиях полного обрушения кровли

3.2 Некоторые закономерности сдвижения и деформаций

горных пород вокруг выработок небольшого сечения

3.3 Формирование трещинной проницаемости пород

3.3.1 Трещинная проницаемость и деформации массива

3.3.2 Оценка фильтрационных свойств массива по материалам водопроявлений в очистных выработках из затопленных выработанных пространств на смежных пластах

3.3.3 Оценка фильтрационных свойств пород по материалам водопроявлений из трещин расслоения

3.3.4 Оценка фильтрационных свойств по нормали к напластованию по материалам перетока воды между водоносными горизонтами

3.4 Анализ материалов определения проницаемости пород внутри ЗВТС

3.5 Фильтрационная структура и ёмкостные свойства горных пород в зоне сдвижения

3.6 Ёмкостные свойства породного массива внутри ЗВТС

3.7 Саморегуляция состояния, самоорганизация горных массивов в ходе сдвижения

3.8 Общие выводы

Глава 4 Исследование закономерностей формирования гидродинамических характеристик пустотного пространства под влиянием затопления

подземных выработок

4.1 Вялотекущее формирование пустотного пространства

4.1.1 Формирование пустотного пространства процессами суффозии

4.1.2 Формирование пустотного пространства барьерного целика шахт «Соколовская» и «Несветаевская»

4.1.3 Формирование пустотного пространства на шахте «Западная» в

условиях неглубокого затопления смежных шахт

4.2 Высокодинамичное формирование пустотного пространства

4.2.1 Краткие сведения о месте поступления прорывов воды в шахту «Западная»

4.2.2 Обстоятельства поступления и характеристика прорывов воды в шахту в октябре-ноябре и феврале 2003г

4.2.3 Сопоставление типологических характеристик водопроявлений в стволах шахты «Западная» и сквозь барьерный целик в шахту «Соколовская»

4.3 Механизмы трещинообразования под влиянием затопления шахт

4.4 Саморегуляция НДС массива вокруг затопленных горных выработок

4.5 Эволюция фильтрационной структуры массива под влиянием затопления горных выработок

4.6 Общие выводы

Глава 5 Разработка концептуальной модели зон водопроводящих

трещин сдвижения на участках очистной выемки пологих и

наклонных каменноугольных пластов

5.1 Виды водопроводящих трещин сдвижения

5.2 Динамика формирования систем водопроводящих трещин

5.3 Форма ЗВТС

5.4 Модель размеров ЗВТС

5.5 Проницаемость пород внутри зон водопроводящих трещин

сдвижения

5.6 Гидродинамические граничные условия на контурах и внутри ЗВТС

5.7 Факторы формирования ЗВТС и их характеристик

5.8 Общие выводы

Заключение

Список литературы

Приложение А Горнотехнические и гидродинамические характеристики условий ведения очистных работ под затопленными выработанными

пространствами и полостями-трещинами расслоения

Приложение Б Горнотехнические и гидродинамические характеристики условий ведения очистных работ под затопленными выработанными пространствами и полостями-трещинами расслоения и результаты оценки

проницаемости разделяющего массива

Приложение В Рекомендации по прогнозированию элементов гидрогеологических условий эксплуатации каменноугольных месторождений подземным способом и гидродинамических последствий

ликвидации шахт

Приложение Г Акты внедрения разработок

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Трансформация гидродинамических характеристик горного массива на участках освоения каменноугольных залежей подземным способом»

Введение

Ископаемый уголь является ценным сырьём для удовлетворения многих хозяйственных потребностей человечества. Существуют и нарастают объективные предпосылки и мотивы для восстановления в России роли этого полезного ископаемого после длительного спада его добычи и сворачивания разведки.

Эксплуатация залежей угля сопряжена с преодолением разнообразных технологических затруднений и ухудшением качества окружающей среды, что снижает эффективность и сдерживает освоение его месторождений.

Актуальность темы исследования. Масштабы, технологичность, экологические и иные аспекты и последствия разработки находятся в сильной зависимости от присутствия жидкой воды в сфере деятельности добывающих предприятий и развития порождаемых им процессов, что диктует необходимость принятия мер по улучшению условий освоения, защите и реабилитации природных и инженерных объектов.

Важной, нередко главной причиной возникновения затруднений служат водопроявления в горных выработках, приводящие к осложнению разработок, снижению безопасности и показателей эксплуатации, делая её подчас экономически малооправданной или нецелесообразной и экологически весьма опасной. Технологически необходимое отведение из выработок и недр воды оказывает сильное влияние на гидросферу - нишу концентрации и вместе с тем основного агента и проводника распространения многих вредных воздействий.

Для угольных объектов большое значение имеют своевременная оценка их с позиций влияния факторов водного ряда, регулирование состояния гидросферы при проведении геологоразведочных исследований, при подготовке к добыче угля, в ходе неё и по завершению. Эти факторы играют исключительную роль в промышленной оценке месторождений, определяя целесообразность, иногда - возможность приемлемой по другим показателям их разработки.

Важной задачей является оценка эколого-гидрогеологических последствий прекращения деятельности добывающего предприятия, влияния её на соседние шахты и разрезы, определение экологически и технически приемлемого и рационального способа ликвидации.

Практика свидетельствует о невысоком качестве прогнозных оценок проявлений водного фактора, слабой управляемости горно-геологическими, гидрогеологическими условиями и геоэкологической обстановкой как о явлениях вполне обычных. Весьма типичными являются, в частности, серьёзные ошибки и грубые просчеты в определении величины и локализации ожидаемых притоков воды в горные выработки и из них. Результаты сопоставлений свидетельствуют, например, о возможности расхождений прогнозов величины притока и их реализаций на многие тысячи процентов. Многие гидродинамические явления считаются практически не поддающимися прогнозированию. Аналогичная обстановка сложилась вокруг прогнозных оценок ряда последствий ликвидации шахт.

Имеется острая потребность в повышении эффективности решения этих проблем, выполнении требований угольной промышленности к полноте и качеству заключений об ожидаемых горно-геологических и гидрогеологических условиях эксплуатации, в первую очередь в отношении водопроявлений в горных выработках как базы для решения основных задач освоения на приемлемой информационно-стоимостной основе.

Высокую актуальность имеют задачи переоценки углеминеральной базы страны, пересчёта запасов угля, ранжирования месторождений и их частей по степени технологической эффективности будущих углеразработок, оптимального выбора участков, параметров и технологий освоения, назначения мероприятий по профилактике осложнений экологической обстановки и её оздоровления.

Низкое качество прогнозов отражает факт наличия серьёзного научно-методического и управленческого кризиса геологоразведочной отрасли и науки, а также практики применения передовых научно-технических разработок, их невостребованность, тенденции к монополизации научного процесса и составления руководящих документов.

Ключевой предпосылкой решения задач оценки и освоения угольных залежей по водному фактору служит определение гидродинамических показателей горного массива, характеризующихся значительной пространственной изменчивостью, а также динамизмом под влиянием различных природных процессов и, особенно, техногенных воздействий. Выявление и учёт этих свойств породной среды методически и теоретически разработаны недостаточно.

Наиболее актуальные вопросы не поддаются в общем случае решению на основе увеличения объёмов разведочных работ из-за естественных экономических и иных ограничений. Важной причиной затруднений служит невозможность получения этим путём прироста информации о будущем, ещё не реализовавшемся состоянии объекта исследований, довольно существенная и недостаточно изученная трансформация его характеристик под влиянием эксплуатации и мероприятий по технической ликвидации угледобывающего предприятия.

Происходящие при этом гидрогеологические события состоят главным образом в изменении картины размещения и коллекторских свойств пустотного пространства, распределения, давления, количества, состава насыщающих массив флюидов. Они непосредственно связаны с трансформацией напряжённо-деформированного состояния (НДС) толщи пород и отражают его динамику.

Эти события происходят в результате появления буровых скважин, горных выработок, сдвижения, осушения и дегазации, водонасыщения массива до начала, в ходе, по завершению горно-строительных и горных работ, вызывающих в основном необратимые изменения состояния с количественно, нередко - и качественно неопределённой траекторией.

При ликвидации шахт главные изменения происходят под влиянием затопления выработок и организации водоотведения из них.

В результате разнообразных по характеру воздействий в пределах горных отводов шахт на всю глубину разработки (до 1300м) и на площади в десятки, местами (Донбасс, Кузбасс) - сотни квадратных километров возникают обширные пустотные пространства, формируется техногенный режим подземных вод и других флюидов. Наибольший вклад в образование пустотного пространства и техногенного режима гидросферы вносит сдвижение, создающее вокруг горных выработок крупного размера водоприёмные системы высокой проницаемости - зоны водопроводящих трещин сдвижения (ЗВТС).

Значительное влияние на гидродинамические характеристики породной среды, взаимодействие выработок с водными скоплениями имеет, как установлено автором, затопление шахт.

Сообщаясь с выработками гидравлически (в сухих породах - аэродинамически), то есть, составляя существенную часть водопроводящего пространства, ЗВТС служат

нередко главными каналами поступления в шахту подземных и поверхностных вод, а на стадии технической ликвидации предприятия и по её завершению - выхода шахтных вод и газов на земную поверхность, распространения их в недрах, движения к охраняемым объектам. Появление ЗВТС и других трещин предопределяет на неограниченно долгий срок гидрогеологические условия территории, включая зоны ранее активного, затрудненного, нередко, - и застойного естественного режима подземных вод.

Сопровождающие затопление горных выработок процессы могут иметь весьма опасный характер, что подтвердили, например, катастрофические по своим последствиям прорывы воды в шахту «Западная» (Восточный Донбасс) в 2003 г. Среди наиболее известных и обычных событий могут быть названы выходы воды и газов из затопленных шахт на земную поверхность, в выработки соседних угледобывающих предприятий, сейсмические эффекты. Эти процессы и явления приобрели в России и ряде сопредельных стран большой масштаб в связи с массовой ликвидацией угледобывающих предприятий «мокрым» способом.

Их прогноз имеет большое значение для предотвращения распространения вторичных вредных процессов, а также геоэкологической реабилитации территории. Отметим, что подземное пустотное пространство рассматривается как перспективная ёмкость для складирования токсичных материалов в случае обеспечения её герметичности и получения заблаговременной оценки такой возможности. Решение этих задач предполагает, в частности, выяснение закономерностей формирования притока воды в отдельные горные выработки и их системы, влияния эксплуатации и ликвидации на коллекторские свойства горного массива, локализацию пустотного пространства, режим уровней подземных вод.

Как показали наши исследования, развивающиеся при сдвижении массива и затоплении шахт макромасштабные процессы имеют ряд общих закономерностей течения и его гидрогеомеханических воздействия и проявлений, что создаёт естественную логическую основу для их совместного изучения.

Степень разработанности темы. По нашему мнению необходимые задачи не могут быть решены путём совершенствования натурной части геологоразведочных исследований (например, сгущения системы опробования) или использования моделей

притоков к выработкам, неадекватным весьма неоднородным и динамичным в фильтрационном отношении реальным породным средам.

Резервы повышения качества оценки условий и последствий освоения состоят в разработке принципиально новых методов их прогноза на основе уточнения, выявления и использования закономерных связей между сопутствующей освоению и его прекращению литогидрогазодинамически значимой трансформацией горного массива, с одной стороны, геолого-гидрогеологическими характеристиками месторождения, технологией эксплуатации и ликвидации шахт, с другой.

Условием решения перечисленных задач служит раскрытие и использование закономерностей механических взаимодействий в системе «литогенная основа горного массива - подземная гидросфера - горные выработки - процессы горного и геологоразведочного производства». Позитивные результаты исследований составят теоретическую основу разработки и применения эффективных методов прогнозирования и управления водопритоками в выработки шахт, другими гидродинамическими событиями, состоянием подземных вод и горных массивов, планирования геологоразведочного процесса, организации мониторинга воздействий и охраняемых объектов, решения других геологоразведочных и экогеореабилитационных задач.

Знание закономерностей дает значительную априорную (точнее, квазиаприорную) информацию о текущем и будущем состояниях объекта исследований в период эксплуатации и по её завершению, повышает надёжность прогнозов, эффективность мер по защите горного производства и окружающей среды, позволяет получать необходимые сведения с меньшими затратами.

Такой подход является постоянной компонентой организации эксплуатации месторождений и геологоразведочных исследований, технологий обработки разведочных данных и прогнозирования и широко реализуется, например, в форме метода гидрогеологических аналогий, позволяя учесть реальную многофакторность процессов и явлений. В организационном отношении значительные перспективы связаны с расширением возможностей и практики применения априорных выводов.

Полезная информация выявляется при анализе материалов горных и геологоразведочных работ, геомеханических исследований в аналогичных или близких в геолого-гидрогеологическом и горнотехническом отношении ситуациях. Предпосылки

экстраполяции полученных данных и выводов на другие объекты предопределены сходством геолого-гидрогеологического строения угленосных толщ и технологий разработки угольных залежей.

Исключительное значение для решения этих задач представляет обобщение и использование практики изучения и освоения угольных месторождений. В странах СНГ накоплен огромный и разносторонний опыт геологоразведочных, горных и гидрогеомеханических работ с применением разнообразных технологий в исключительно широком диапазоне природных условий, в том числе, на месторождениях, эксплуатация которых в других странах по разным причинам прекращена или не велась.

Повышение качества информационного обеспечения освоения предполагает развитие представлений о гидродинамическом взаимодействии горных выработок со скоплениями подземных и поверхностных вод в условиях преобразований проницаемости массива различными техногенными процессами, в первую очередь, такими макромасштабными, превосходящими по последствиям все остальные как сдвижение породной среды и затопление систем горных выработок.

Среди исследователей сдвижения, в первую очередь, в связи с его влиянием на гидродинамические свойства пород и формированием ЗВТС назовем в нашей стране С.Г. Авершина, Е.В. Бошенятова, А.С. Батугина, А.С. Ведяшкина, Б.Я. Гвирцмана, В.Н. Гусева, В.Н. Земисева, М.А. Иофиса, Д.А. Казаковского, Ж.М. Канлыбаеву, Н.Н. Кацнельсона, А.Г. Кобилева, С.П. Колбенкова, Г.Н. Кузнецова, С.Т. Кузнецова, Б.И. Леванькова, П.М. Леонтовского, М.М. Лося, А.Н. Медянцева, В.А. Мироненко,

A.С. Миронова, А.Н. Мурашёва, Ю.Н. Нисковского, Ю.А. Норватова, А.Н. Рюмина,

B.П. Самарина, А.Г. Скворцова, В.Д. Слесарева, Ф.П. Стрельского, И.В. Хохлова, Н.Ф. Шалагинова, А.С. Ягунова и др., за рубежом - Ф. Вига (Vigh F.), Г. Кратча, Лю Тиан-Чуана, Т. Старона, И. Рабштина, Я. Фармера (Farmer I.W.), Z. Kesseru, J.E. Tubby и др.

Правомерно констатировать, что многие закономерности сдвижения, его влияние на гидродинамические свойства пород изучены достаточно детально. Вместе с тем, далеко не все аспекты этого процесса и его последствия, в частности, важные для нашей темы, раскрыты в должной мере.

Проблемными остаются исследование и предрасчёт сдвижения и деформаций пород внутри породной толщи, связь сдвижения и деформаций, прогноз характеристик

ЗВТС и другие вопросы, и в итоге - подтверждаемость выводов в практических приложениях. В конце прошлого века в этих сферах усилиями автора получены новые результаты, позволившие прийти к ценным научным и практическим выводам.

Другое научное направление - исследование трансформации породных толщ в результате водонасыщения массива, в частности, под влиянием затопления угольных шахт - находится на начальной стадии развития. Его обнаружение и разработка связано в основном с исследованиями автора этих строк. Развивающиеся на участках текущих и прошлых разработок гидродинамические события служат проявлением гидрогеодеформационного поля (в понимании Г.С. Вартаняна и Г.В. Куликова).

В настоящее время для изучения преобразований горных массивов имеются благоприятные условия в связи с накоплением данных о ликвидации сотен шахт в различных регионах страны и разнообразных геологических условиях.

Выявление и учёт гидрогеологического значения сдвижения пород и затопления шахт является главной предпосылкой успешной гидрогеологической и геоэкологической оценки месторождения. Наибольшую актуальность имеет выявление взаимосвязи трещинной расчленённости и водопроницаемости пород в связи с эксплуатацией средних по мощности и мощных угольных залежей и ликвидацией шахт. Единственно возможным результатом на данном этапе исследований является, по нашему мнению, создание качественных (описательных) и полуколичественных моделей элементов гидродинамической ситуации и геофильтрационных схем.

В качестве первостепенной и ключевой задачи фигурирует установление траекторий и результатов изменений проницаемости породных тел и массивов под влиянием главных основных и вспомогательных процессов горного производства. При этом исключительное значение имеет развитие системы представлений о ЗВТС.

Новый импульс изучению влияние сдвижения и затопления на гидродинамические характеристики массива даёт применение синергетического подхода, позволяющее отойти от чисто геометрического, механистического подхода, унаследованного от эпохи зарождения горной литогидрогазогеомеханики.

Применительно к решению гидрогеологических аспектов геологоразведочных и горных задач его первые приложения связаны с деятельностью автора этих строк.

С синергетическими процессами связаны явления самоорганизации и саморегуляции, вызывающие по данным автора и им установленные важные стабильные

гидродинамические отклики горной толщи на её перемещение в ходе сдвижения и вторичного водонасыщения. Их существование позволяет получать ценную информацию о горном массиве, выполнять надёжные прогнозы без проведения специальных натурных гидрогеологических исследований на основе минимума общегеологических и горнотехнических сведений.

Необходимая информация о текущих и будущих характеристиках обстановки может быть получена на основе как прямых, так и, в первую очередь, косвенных данных, ценность которых велика ввиду низкой доступности объектов и процессов для исследований, недостаточной разрешающей способности существующих методов их изучения, высокой трудоёмкости и затратности работ.

Изучение материалов об условиях ведения очистной выемки, натурных измерений высоты ЗВТС, режиме подземных вод, практика прогнозирования гидрогеологических и геоэкологических условий показывают обоснованность и продуктивность данной целевой установки.

Настоящая диссертация является в значительной степени опытом концентрации и обобщения накопленной к началу текущего столетия информации о литогидрогеомеханических аспектах эксплуатации и последствий эксплуатации угольных месторождений стран СНГ, практики их разведки, оценки гидрогеологических условий разработки и геоэкологической обстановки, интерпретации и реконструкции гидродинамических и гидрогеохимических событий в пределах горных отводов угледобывающих предприятий.

Основным объектом изучения являются горные массивы на участках подземной очистной выемки каменноугольных пластов. Предметом исследований автора служат закономерности трансформации массивов под влиянием сдвижения и вторичного водонасыщения в связи с их последствиями для гидрогеологических условий эксплуатации средних по мощности и мощных пологих и наклонных угольных залежей подземным способом с обрушением кровли и в связи с геоинформационным обеспечением освоения угольных месторождений.

Цель исследований состоит в выявлении закономерностей трансформации и формирования гидродинамических характеристик горного массива под влиянием сдвижения и вторичного водонасыщения для развития научных основ повышения

промышленной и экологической безопасности и эффективности освоения угольных месторождений.

Один из лейтмотивов работы заключается в выявлении гидрогеологического значения этих процессов, в частности, в связи с формированием ЗВТС. Второй лейтмотив состоит в выявлении и изучении гидродинамических событий, возникающих в массиве в связи с ликвидацией шахт «мокрым» способом. Идейной основой работы служит учёт эффектов самоорганизации и саморегуляции массива как его аттрибутивной реакции на указанные крупномасштабные механические воздействия.

Для достижения цели исследований решались следующие основные задачи:

1. Сбор, анализ, обобщение данных и представлений о процессах и гидродинамических последствиях сдвижения и водонасыщения массивов горных пород;

2. Выявление закономерностей сдвижения и сопутствующих деформаций горного массива;

3. Выявление закономерностей формирования трещинной расчленённости, проницаемости и фильтрационной структуры горного массива в процессе сдвижения;

4. Выявление закономерностей формирования и разработка моделей ёмкостных свойств горного массива под влиянием сдвижения;

5. Развитие авторской концептуальной модели ЗВТС на участках очистной выемки угольных пластов системами с обрушением кровли;

6. Изучение и разработка моделей трансформации гидродинамической структуры горного массива при вторичном его водонасыщении;

7. Изучение трансформации гидродинамической структуры горного массива под влиянием активного водообмена в горных выработках;

8. Разработка рекомендаций по оценке гидрогеологических и экологических условий освоения каменноугольных залежей подземным способом.

Структура работы отражает состав информационно-логических блоков, необходимых для постановки и решения рассматриваемых задач.

Выводы диссертации базируются на обширном фактическом материале, собранном в 1975-2011 гг. автором в ходе натурных работ в Кузнецком, Донецком, Карагандинском, Челябинском, Львовско-Волынском бассейнах, на месторождениях Приморья, Буланашском месторождении, а также на фондовых и литературных данных по различным угольным месторождениям СССР, России и зарубежных стран. Широко

использованы разнообразные материалы научно-исследовательских, проектных, разведочных и угледобывающих организаций СССР и России.

Закономерности трансформации породной среды и её гидродинамических характеристик изучены с применением общенаучных и специальных методов обработки, анализа и синтеза информации, в частности, решения обратных гидрогеологических и иных задач по материалам инструментальных наблюдений за сдвижением и деформациями земной поверхности и породного массива, данным о водопроявлениях в горных выработках на участках подработок водных объектов в недрах и на земной поверхности, разработок вблизи затопленных шахт, результатам изучения режима подземных вод, трансформации геоэкологической обстановки в ходе эксплуатации и ликвидации угольных шахт в различных регионах СССР и России.

Научная новизна выполненных исследований:

- впервые установлена упорядоченность фильтрационной структуры горного массива и отдельных слоев над выработанным пространством угольных шахт, характеризующейся инвариантно физико-механическим свойствам пород стабильностью рисунка и густоты сети, равнораскрытостью торцевых трещин у кровли слоев глинистого состава, с приближением их коэффициента фильтрации в направлении нормали к напластованию к константе около 0,003 м/сутки по мере роста площади водопроводящего трещинообразования на верхней поверхности слоя, что позволяет получать информацию о состоянии и гидродинамических характеристиках горного массива в ходе эксплуатации угольных месторождений и на этой основе выполнять эффективные прогнозы притока воды в обрушенное выработанное пространство, особенно, из подработанных водных объектов без проведения специальных натурных геологоразведочных работ;

- разработаны модели ёмкостных свойств кавернозно-трещинного техногенного пустотного пространства, возникающего при сдвижении массива с саморегуляцией на участках разработки угольных залежей с полным обрушением кровли и выемочной мощностью более 1,3 м, отличающиеся от известных учетом эффекта саморегуляции сдвижения и деформаций горного массива, что позволяет на новой общей научно-методической основе надежно определять объем подземного пустотного пространства для определения количества находящейся в нем воды, скорости и сроков его затопления, в частности, при ликвидации шахт с затоплением горных выработок;

- установлен неизвестный ранее эффект самопроизвольной дизъюнктивной трансформации горных пород и фильтрационной структуры массива под влиянием генерированных затоплением горных выработок архимедовых сил, отличающиеся от известных эффектов новым механизмом и типологией, условиями проявления, что определяет необходимость и позволяет принять меры по предотвращению растекания в недрах шахтных вод из глубоко затопленных выработок ликвидированных шахт;

- впервые установлено неизвестное ранее образование крупных водопроводящих каналов архимедова разуплотнения внутри и на границах породных тел, способных к глубокой аккумуляции и активному высвобождению механических напряжений сжатия, определены гидростатические и временные условия возникновения водопроводящих структур разуплотнения, что позволяет выполнить определение условий прорывобезопасной эксплуатации угольных залежей вблизи систем глубоко затопленных горных выработок и разработать проекты геоэкобезопасной ликвидации угольных шахт;

- установлен неизвестный ранее эффект самопроизвольного формирования в обрушенном выработанном пространстве системы суффозионных каналов различного порядка и резко дифференцированной проницаемости, что позволяет выполнить определение локализации пунктов и интенсивности выделений шахтных вод из затопленных горных выработок ликвидированных угольных шахт;

- разработана концептуальная модель зон водопроводящих трещин сдвижения, учитывающая в отличие от существующих характеристики новых кинематических видов и зон водопроводящих трещин сдвижения, локализацию и размеры области распространения, условия и факторы формирования, проницаемость и ёмкостные свойства пород, гидравлический режим подземных вод в подработанном массиве, что позволяет более точно оценить гидродинамические свойства горных пород, выполнить надежный прогноз горно-геологических условий очистных работ в разнообразных обстановках, влияния эксплуатации на окружающую среду и геоэкологических условий ее прекращения;

- установлены типовые элементы геофильтрационных схем окрестностей очистных выработок и условия их реализации с учетом проявлений саморегуляции сдвижения и деформаций горного массива, отличающиеся более точным и детальным соответствием взаимодействию горных выработок и скоплений воды по сравнению с существующими

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Мохов Александр Вадимович, 2015 год

(1 - д

- для условно водонасыщенных пород

Рразр = ^^ - ИгУв = 0,26 • 259 • 0,3 : 0,7 - 121 • 0,1 = 16,8 кГс/см2 = 1,71 МПа.

(1 - д

Естественно, для формирования трещин внутри монолитного слоя необходимы значительно большие значения давления.

Фактическое давление столба воды в обоих случаях не превышало 190м водяного столба, или около

19 кГс/см2 (1,94 МПа), что несколько уступает теоретически необходимому давлению для расчленения и довольно существенно уступает давлению разрыва сухого массива, а также сопротивлению материала сооружения «горная порода - тампонажный камень» на отрыв и, напротив, приблизительно соответствует этому давлению для водонасыщенного массива.

Существа этих выводов не меняет определённое снижение прочности увлажнённого минерального скелета, которое, кроме того, как показывает «обрыв» прорывов, не оказало влияния на процесс прорывоопасного трещинообразования.

Близкие результаты дают аналогичные расчёты для участка барьерного целика шахт «Несветаевская» и «Соколовская».

Проверка гипотезы о роли гидрорасчленения показывает, что необходимое для этого давление на нижнюю часть барьерного целика должно составить:

- для условно сухих пород

Рразр = = 0,26 • 470 • 0,3 : 0,7 = 52,4 кГс/см2 = 5,34 МПа;

(1 - д

- для условно водонасыщенных пород

Рразр = ^^ - Игув = 0,26 • 470 • 0,3 : 0,7 - 115 • 0,1 = 40,9 кГс/см2 = 4,17 МПа.

(1 - д

Фактическое гидростатическое давление в начале перетекания через целик составляло 115-120 м водяного столба, или 1,2 МПа, что приблизительно в 4 раза меньше расчётных значений давления гидрорасчленения и, тем более, давления гидроразрыва реально осушенного массива.

Эти ориентировочные расчёты не подтверждают безусловной достаточности привлечения идей инженерного и естественного гидроразрыва и расчленения для объяснения рассматриваемых геомеханических преобразований и гидродинамических событий. Расчёт давлений гидроразрыва и гидрорасчленения с привлечением других методик, для иного размещения очага прорыва, а также представлений о более низких прочностных свойствах пород и проявления реологических свойств, правомерности этих выводов принципиально не меняет.

Имеются дополнительные более важные и решающие по значению гидрогеомеханические аргументы в пользу такого заключения.

Необходимо в этой связи отметить периодическое многократное уменьшение дебита водопроявления, непропорциональное снижению давления воды на устье предполагаемого трещинного канала (на 3% для первого прорыва и 9% для второго). Аналогичная ситуация имеет место с возрастанием притока в ходе снижения давления, что особенно отчётливо проявилось при втором прорыве. Всё это свидетельствует о динамизме трещинной проницаемости, явно не связанном прямолинейно с разуплотняющим давлением и его вариациями.

Рождение первых прорывопроводящих трещин в слоях наиболее крепких пород - песчаников, неоднократное повторное обретение интервалом разреза массива повышенной проницаемости при малоизменяющемся давлении дополнительно указывают на отличную от гидрорасчленения природу процесса.

По этим причинам при внешнем сходстве обстановок с учётом приведенных данных правомерно утверждать, что между образовавшимися трещинами и трещинами инженерного гидроразрыва отсутствует не только тождественность или прямая аналогия, но и сходство механизма формирования.

Не отвергая роль расклинивающего действия давления столба воды, укажем, что оно помимо фактора запуска трещинообразование имеет здесь только вспомогательное значение. Соответственно, формирование трещин происходит под влиянием концентрации напряжений иного характера.

Вне зависимости от конкретного механизма реализации данное явление вызвано формированием водного объекта и может быть условно названо гидравлическим обратимым полностью или частично разуплотнением массива.

Выводы о закономерностях генерации прорывопроводящих трещин позволяют определить вероятное место появления канала второго прорыва.

Как указывалось выше, отсутствие крупных водовыделений через крепь у трассы сбойки с главным стволом № 2 и другие данные служат основанием для вывода о размещении канала выхода воды из массива вне интервала пересечения пласта к21 и пород над ним.

Поскольку формирование прорывопроводящей полости связано пространственно с существованием затопленных выработок, местом потенциальной локализации прорывов может считаться междупластье к2с-к21.

Местом вероятного размещения водопроводящей трещины (или трещин) служит интервал разреза массива над пластом к2с в нижней части водного объекта под тампонажной завесой. Здесь расстояние от ствола до границы затопленной выработки по пласту к2с и грузового квершлага минимально (соответственно, около 56 и 30м). Дополнительным благоприятствующим фактором служит близость начальных взвешивающих сил к своему максимально возможному в конкретных условиях значению, то есть

[66 - (-122)] м • 0,1 кГс/м3 = 18,8 кГс/см2 - 1,92 МПа, что весьма близко к давлению на первоначальный визуально зафиксированный очаг прорыва в блоковый вентиляционный ствол № 1. Рассчитанное давление также приблизительно на 0,7 МПа выше, чем у сбойки по пласту к21 в одном из предполагавшихся ранее мест прорыва.

На роль водопроводящего канала не могут претендовать как собственно угольные пласты к2с, к2н, так и их деформационно-эрозионный аналог - слой алевролита в интервале глубин 307,5-313,0 м, имеющие низкую устойчивость к фильтрационному разрушению.

По тем же причинам маловероятным следует считать размещение первого канала на контакте слоя алевролита с песчаником или внутри слоя аргиллита (на глубине 313-321 м) как наиболее слабых механически и в абразионном отношении структурных элементов массива.

Поскольку трещины первой генерации зарождаются в крепких породах, вероятным местом образования первой трещины может служить ближайший к кровле

пласта к2с слой песчаника, находящийся в интервале глубин 286,4-307,5 м, конкретно, часть слоя на условной глубине 300м, отметке минус 96 м абс.

Вероятное местоположение выхода главной составляющей прорыва в ствол показано на рисунках 4.8, 4.9.

Здесь гидростатическое давление близко к 160-165 метрам водяного столба, или 1,6 МПа и практически совпадает с давлением на вероятный очаг первого прорыва. Расчётное давление также выше (на 0,4 МПа), чем на сбойку.

При этом пьезометрическая высота для почвы считающихся нами водопроводящими слоёв - разница отметок уровня затопления и почвы - в обоих случаях составляла 170м водяного столба по оси ствола.

Отметим, что давление гидроразрыва должно составлять здесь для второго прорыва около

- в условиях сухих пород

Рразр = ^^ + Оразр = 0,26 • 300 • 0,3 : 0,7 + 10 = 43,4 кГс/см2 = 4,43 МПа;

(1 -

- в условиях водонасыщенных пород

Рразр = - Нг7в + Оразр = 0,26 • 300 • 0,3 : 0,7 - 162 • 0,1 + 10 =

(1 -

= 27,2 кГс/см2 = 2,78 МПа.

Необходимое для гидрорасчленения давление составит около

- в условиях сухих пород

Рразр = ^^ = 0,26 • 300 • 0,3 : 0,7 = 33,4 кГс/см2 = 3,41 МПа;

(1 -

- для условно водонасыщенных пород

Рразр = ^^ - Нгув = 0,26 • 300 • 0,3 : 0,7 - 162 • 0,1 = 17,2 кГс/см2 = 1,76 МПа.

(1 -

Для первого прорыва давление гидроразрыва на отметке минус 101 м абс., то есть, у вероятного места первоначального поступления его главной составляющей будет равным

- в условиях сухих пород

Рразр = ^^ = 0,26 • 275 • 0,3 : 0,7 + 10 = 40,6 кГс/см2 = 4,14 МПа;

(1 -

- для условно водонасыщенных пород

Рразр = ^^ - Игув = 0,26 • 275 • 0,3 : 0,7 - 167 • 0,1 + 10 = 23,9 кГс/см2 = 2,44 МПа.

(1 - д

Давление гидрорасчленения составит здесь

- в условиях сухих пород

Рразр = ^^ = 0,26 • 275 • 0,3 : 0,7 = 30,6 кГс/см2 = 3,12 МПа;

(1 - д

- для условно водонасыщенных пород

Рразр = ^^ - Игув = 0,26 • 275 • 0,3 : 0,7 - 167 • 0,1 = 13,9 кГс/см2 = 1,42 МПа.

(1 - д

Сравнение результатов расчётов для двух гипотез показывает, что «перенос» места поступления обоих прорывов в указанные точки не влияет на правомерность отклонения гипотезы трещинообразования под влиянием гидроразрыва или гидрорасчленения. Такое давление оказывается недостаточным для естественного формирования трещин с учётом выявленных особенностей этих процессов.

Рассмотренные данные позволяют сделать ряд важных выводов об условиях трещинообразования.

В ходе обоих прорывов начальное давление воды на устье канала были практически одинаковы, составляя около 1,6-1,7 МПа (16-17 кГс/см , или 160-170 метров водяного столба).

Таким образом, гидростатическое давление около 1,6-1,7 МПа, составляя 2030 % от литостатической пригрузки (5,0-7,5 МПа), вызывает генерацию крупных трещин в массиве типичных состава, прочностных и деформационных свойств.

В рассматриваемых случаях, когда уровень затопления пустотного пространства был значительно ниже приведшего затем к прорыву, вероятность появления крупных широко раскрытых трещин и их полостей была весьма невелика, по-видимому, из-за релаксации напряжений.

Превышение гидростатическим давлением на склонный к образованию водопроводящих каналов интервал массива пороговой величины около 160м явилось предпосылкой появления здесь прорывоопасных полостей.

Опережение первого прорыва по отношению ко второму (на 8,5 месяцев) может быть объяснено комплексом причин: большей близостью его очага к системе горных выработок в плане, а также основанию водного объекта, меньшей глубиной размещения (на 25-30 м) очага и, следовательно, заметно - на 8-10% - меньшим за счёт второго

фактора геостатическим давлением, вероятно противодействующим трещинообразованию. По-видимому, определённое значение имел также продолжительный - около 2,5 месяца спад уровня затопления и необходимость его восстановления после первого прорыва.

Не исключено, что наличие вблизи главного ствола № 2 квершлага не имело принципиального значения, поскольку другие выработки находились на достаточном приближении к стволу на этом уровне.

Неперерастание перетока из шахты «Несветаевская» в шахту «Соколовская» в прорыв может быть объяснено теми же факторами - недостаточным гидростатическим давлением (до 115м водяного столба) и более существенной (в среднем 470м) глубиной размещения угольного целика - основания водного объекта. По-видимому, выводы о величине пороговых значений следует соотносить с глубиной размещения потенциального интервала перетока и применять к диапазону глубин до 500м.

Рассмотренные материалы позволяют сделать ряд выводов о некоторых свойствах и параметрах формирующихся трещинных структур.

Приведенные данные свидетельствуют о возможности образования водопроводящих трещин двух типов.

Трещины первого из них служат каналом поступления крупных прорывов. К трещинам второго типа принадлежат появившиеся в барьерном целике шахт «Несветаевская» и «Соколовская» пустоты, а также трещины, постепенно возникшие вокруг стволов шахты «Западная», включая обнаруженную и визуально контролируемую на начальной стадии прорыва в блоковый вентиляционный ствол № 1 и впоследствии несколько развитую суффозией.

Свойства и, по-видимому, локализация этих трещин существенно различаются. Трещины первого вида имеют намного большую раскрытость и размещаются в трудноразмываемых породах - песчаниках. Трещины второго вида могут располагаться как внутри слоёв песчаников, так и, по-видимому, на контактах последних с телами другого состава и имеют относительно большую пространственно-временную стабильность раскрытости и локализации.

Формирование трещин первого вида (вокруг стволов главного № 2, клетевого № 2) стартовало при достижении затоплением глубины несколько десятков метров -менее 65-70 м, по-видимому, с 40-50 м. Однако для развития вялотекущего

трещинообразования в ощутимых масштабах потребовалось также довольно продолжительное, ориентировочно, около 10 лет существование водного объекта.

Включение механизма интенсивного образования трещин первого вида происходит при достижении глубины затопленного пространства (точнее, давления на интервал залегания слоя песчаника) около 160-170, второго - около 100-110 м.

На шахте «Западная» превышение второго порогового значения затопления (после 4 апреля 1999 г., то есть, через 19-22 года с момента возникновения водного объекта на пластах к2с, к2н) вызвало резкое усиление в быстро нарастающем режиме капежа в стволы.

Вплоть до начала обоих прорывов (по крайней мере, с 1995 г.) здесь уже наблюдалась пульсация притока в стволы (рисунок 4.11).

Асинхронность и прерывистость притока в разные стволы может быть истолкована как свидетельство распространения разуплотнения в виде «скользящей» в плане линзовидной трещины - трещины первого типа.

С подобным эффектом связано внезапное за десятки секунд до начала прорыва в главный ствол № 2 развитие в клетевом стволе № 2 капежа необычной «по виду» воды. С одним из импульсов разуплотнения может быть связан прорыв в воздухоподающий ствол (июнь 2001 г.) по скважине из-за быстрого разрушения обсадки в интервале пересечения затопленного выработанного пространства. Распространения здесь водопроводящей трещины до ствола не отмечено.

Рассмотренные случаи трещинообразования проявили себя в первую очередь по «гидрогеологическим» признакам, благодаря наличию в зоне распространения трещин крупных водных скоплений и пунктов наблюдений. Поскольку механизм трещинообразования действует и в стороне от подобных точек, здесь также следует ожидать генерации трещинных полостей. Признаки формирования таких трещин имеются, по нашему мнению, в клетевом стволе № 2 уже в ходе второго прорыва; они также проявляются в других динамических событиях в недрах.

В систему представлений о спонтанном, скоротечном и вполне обратимом трещинообразовании вписываются внезапные осушение (декабрь 2003 г.) ствола одной из водозаборных скважин, затем - возвращение через 3 месяца воды сюда. Скважина находится в 17км от главного ствола № 2 и в 15км от блокового вентиляционного ствола № 1 шахты «Западная» (рисунок 4.3), каптируя на глубине до 30м (отметка около «+90

м абс.») водоносный горизонт (песчаник?) в угленосных отложениях над затопленным выработанным пространством шахты № 10 Калиновского шахтоуправления по пласту £2н, гидравлически с водным объектом в шахте им.С.М. Кирова не связанный. Эти эффекты служат «эхом» гидрогеомеханических событий на шахте «Западная» и указывают на возможность распространения возмущений на значительные расстояния.

Эффекты аналогичного трещинообразования известны и на земной поверхности. На полях затопленных шахт района местами эпизодически и внезапно появлялись широко раскрытые (до 0,2м) трещины отрыва. Зафиксированное их формирование в г. Новошахтинске предшествовало (20.09.2003 г.) и практически сопутствовало (6.11.2003 г.) второму прорыву.

Стабильность водопроявлений в стволах главном № 2 и клетевом № 2 в период поступления прорыва в блоковый вентиляционный ствол № 1, разновременность сильных водопроявлений в разных стволах и частях массива, нераспространение трещин до воздухоподающего ствола в ходе прорыва по скважине указывают на возможность локального развития весьма крупных трещин. Эти особенности гидродинамически значимых событий служат признаком миграции таких трещин от наиболее глубоко затопленной части системы выработок - и донной части синклинали - к выходам слоев на поверхность.

Данные об условиях формирования прорывов и перетоков воды на шахтах «Соколовская», «Несветаевская», «Западная» позволяют сделать вывод, что размер возникающих как вполне стабильных, так и недолгоживущих трещинных каналов обоих видов в пластовой проекции для пологого и наклонного залегания, составляет не менее 50м. При подобном и меньшем удалении водного объекта в подземном пустотном пространстве по напластованию от границ выработок незатопленных шахт (карьеров) и земной поверхности следует считаться с явной угрозой прорыва сюда воды по спонтанно образующимся зонам разуплотнения.

Как можно заключить по соотношению величины перетока, гидростатического давления на площадь перетекания и размера последней, максимальная раскрытость образующихся фильтрующих трещин в разделяющем целике составляет первые миллиметры, на участках прорывов в стволы - 10-15 см.

Интерпретация натурных данных приведена в [100,101,104-106,108,109].

Механизм рассмотренных случаев трещинообразования исследуется ниже.

Сделанные выводы позволили внести дополнения и уточнения в результаты расследования второй аварии, выяснить причины формирования прорыва и влиянии затопленных шахт, в частности. Они дают основание для заключения о наличии качественных различий в НДС массива и тенденциях его изменения вблизи мелких и крупных (особенно, глубоких) новообразованных подземных водных объектов. Соответственно, вблизи последних выработки находятся, а разработки ведутся в потенциально прорывоопасных условиях.

По результатам рассмотрения материалов нами сделаны следующие выводы и даны рекомендации [119]:

1. Источником формирования прорыва воды в шахту «Западная» явились затопленные выработки и выработанное пространство Несветаевского (к21) и Коминтерновских (к2с, к2н) пластов шахты им. С.М. Кирова;

2. Прорыв воды имел нестабильный «пульсирующий» дебит и тенденцию к самопрекращению;

3. Засыпка ствола блочно-глыбовым материалом не имела решающего значения для прекращения прорыва (по крайней мере, его отдельных генераций);

4. Вероятным каналом поступления прорыва послужила новообразованная трещина нестабильной во времени раскрытости у кровли угольного пласта к2с;

5. Наличие сбойки с главным стволом № 2 по пласту к21, локальный характер тампонажных работ по гидроизоляции ствола, применение раствора с низким содержанием цемента не оказали существенного влияния на возникновение прорыва;

6. Условия работ под выработками и выработанным пространством крупных размеров со значительной глубиной затопления характеризуются опасностью прорывов воды по каналам различного происхождения и типа, включая трещины гидравлического разуплотнения массива, сходные с трещинами гидрорасчленения (гидроразрыва);

7. Необходима доработка нормативных документов в части определения безопасных условий деятельности угледобывающих предприятий вблизи затопленных шахт.

Эти выводы и рекомендации получили необходимое уточнение и развитие в ходе последующих исследований. Они имеют значение также для объяснения первого прорыва и, учитывая однотипность реакции породных толщ на механические воздействия, намечают условия прорывобезопасного нахождения горнодобывающих

предприятий вблизи крупных и глубоких подземных водных объектов инвариантно интерпретации механизма трещинообразования.

4.3 Механизмы трещинообразования под влиянием затопления шахт

Рассмотренные выше материалы свидетельствуют о возможности изменения водопроницаемости массива горных пород, как малой, так и весьма значительной интенсивности в медленном и скоротечном режиме. С полной определённостью можно утверждать, что данное гидродинамическое событие связано с трансформацией трещинной структуры массива и динамикой раскрытости трещин.

Высказывались различные мнения о механизме трещинообразования.

Так, причиной формирования прорыва считалось обрушение в затопленное пространство зависших горных пород [122,141,153] (обеспечившее гидравлический удар и повышенный градиент напора), либо взрывных работ в песчаном карьере (вызвали трещинообразование), которые представляется нам недостаточным.

Как существенный фактор обрушение может быть уверенно исключено из-за практической невероятности сохранения обширного зависания пород в условиях разработок длинными забоями с полным обрушением кровли и обширной неоднократной подработанности (надработанности) массива.

Влияние взрывных работ представляется несущественным, поскольку такие взрывы производились многократно как до, так и после прорывов, не оказывая заметного влияния на приток в стволы и шахту в целом, и не проводились в ходе первого прорыва. Правомерно отвергнуть термоупругое происхождение прорывопроводящих трещин, поскольку температурный режим у очага прорывов находился вполне стабильным продолжительное время.

Приведенные выше данные показывают невозможность объяснения прорывов [122,141,153] деградацией материала глиноцементных перемычек в околоствольных выработках.

Появление водопроводящих каналов в монолитной, а затем уже в локально нарушенной трещинами породной среде имеет параллели с результатами инженерного гидроразрыва, либо гидрорасчленения. Необходимость для разрыва монолитной породы или расширения существующих трещин достижения определённой глубины затопления - гидростатического давления, скоротечность процесса отвечает представлениям об условиях реализации подобных механизмов.

Приведенные выше оценочные расчёты показали недостаточность объяснения рассмотренных событий на основе таких представлений. Главной причиной, по которой они не могут быть приняты, служит невозможность удовлетворительного объяснения типологии прорывов и, главное, всей совокупности наблюдавшихся явлений в выработках, недрах, на поверхности. В то же время ясна и универсальна первопричина трещинообразования - наличие подземного водного объекта.

При реконструкции механизма необходимо учитывать, что рассмотренные гидролитогеомеханические события на шахтах «Западная», им. С.М. Кирова, «Несветаевская»-«Соколовская» имеют явное типологическое сходство.

Прежде всего, следует отметить скоротечность рождения и смыкания каналов поступления повышенных притоков, отсутствие или невыраженность нисходящей генеральной ветви прорыва, пульсацию притока в условиях малоизменяющегося, даже ослабевающего гидростатического давления на устье каналов водовыделений, возможность нарастания дебита при снижении затопления, отставание фиксируемых или высокоинтенсивных водопроявлений от хода затопления, связь начала их проявления с глубиной водного объекта.

Нарастание интенсивности последующих импульсов прорыва, несмотря на ослабление гидростатического давления на канал разгрузки особенно ярко проявилось при втором прорыве в шахту «Западная» в октябре-ноябре 2003 г. Аналогичная ситуация имела место на участке целика шахт «Несветаевская»-«Соколовская». Подобные эффекты наблюдались также в ходе первого прорыва.

Отставание водопроявлений в определённой мере связано с реологическим поведением пород. Необратимая трансформация массива, например, подъём поверхности, указывает на ограниченность естественной релаксации напряжений.

Следует отметить резкий характер окончания обоих прорывов (для первого - его главной составляющей), несмотря на адсорбционное понижение прочности смоченных

пород и создание новых предпосылок для перехода пластичных деформаций в хрупкие, невозобновление прорывов в условиях стабильного или даже возросшего гидростатического давления. Можно уверенно констатировать отсутствие новых крупных прорывов в блоковый вентиляционный ствол № 1 и другие стволы после февраля 2003 г., в главный ствол № 2 и другие стволы после ноября того же года и даже снижение водопритока сюда, а затем отсутствие в ходе нового подъёма уровня затопления шахты им. С.М. Кирова (до отметок около «+87 м абс.» в 2006г.) прорывов, по крайней мере, соизмеримых по дебиту и продолжительности с рассмотренными.

Если во всех случаях существенные первоначальные водопроявления наблюдались из квазимонолитной породной среды, то их последующие генерации формировались в том же режиме уже из массива, расчленённого прорывопроводившими техногенными трещинами. Эта расчленённость не воспрепятствовала ослаблению перетока и внезапному прекращению прорывов.

Поступления притока в стволы на шахте «Западная» не только по новоообразованной крупной трещине, но также трещинам предыдущих генераций в пульсирующем режиме, отражающем колебания их раскрытости, имеет аналогию с гидродинамическими событиями в ходе трещинообразования в целике шахт «Несветаевская» и «Соколовская».

В пользу такого предположения свидетельствуют по нашему мнению небольшие эпизодические кратковременные увеличения и снижения притока в стволы шахты «Западная» до прорывов и по их завершению (рисунки 4.11,4.14,4.15).

Наличие столба воды в затапливающихся и затопленных стволах оказывало, несомненно, отрицательное влияние на поступление прорывов из-за подпора со стороны водного объекта. Тем не менее, и в этой ситуации отмечены всплески притока, «уход» засыпки из стволов как проявления импульсов напряжённого состояния и формирования прорывопроводящих трещин.

Эта констатация позволяет сделать ряд выводов о характере и природе формирования трещинной расчленённости вокруг затопленных выработок указывает на особый механизм трещинообразования.

Рассмотренные случаи трещинообразования явно связаны с естественным изменением напряжённого состояния массива при появлении подземного водного объекта. Внезапность развития перетоков и прорывов, «пульсация» дебита и «мерцание»

водопроявлений, сотрясения массива служат указанием на способность породной среды в этом случае резко с дезинтеграцией высвобождать упругую энергию сжатия, созданную пригрузкой налегающей толщи пород и дополнительно накопленную в ходе её осушения в период работы шахтного водоотлива.

Упрощённо понимаемое действие архимедовых сил оказывается недостаточным для генерации подобных инженерным гидроразрыву и гидрорасчленению эффектов. Однако косвенное их влияние обеспечивает структуроформирующие воздействия и события, вызывая разуплотнение больших объёмов горных пород на участках вторичного водонасыщения массива.

Способность породных сред к быстрому высвобождению энергии сжатия с естественным расчленением при разгрузке хорошо известна по проявлениям выбросов пород и горных ударов в выработках. В максимальной степени она присуща монолитным крепким сухим песчаникам. Сходные процессы проявляются в разгруженных образцах пород в форме их растрескивания, например, «дискования» керна выбросоопасных песчаников. Характерным является заметное отставание развития данного эффекта от момента выбуривания керна.

В этой связи становится понятным парадоксальное тяготение наиболее проницаемых новых каналов фильтрации к слоям таких максимально устойчивых к деформациям компонентов массива как песчаники. Как важную особенность механизма перестройки напряжённого состояния отметим опосредованную его связь с механической ослабленностью слоёв песчаника. В отличие, однако, от ситуаций с выбросами и горными ударами, исходная трещинная расчленённость и(?) водонасыщенность пород не стали препятствием для накопления энергии сжатия и динамических явлений.

Потеря связи расхода потока с гидростатическим давлением указывает на автономность процесса трещинообразования и, шире, эргодичность поведения породной среды скоре после его старта.

Важной особенностью рассматриваемых эффектов и процессов служит импульсный режим разрядки напряжений в форме упругого расширения и сжатия скелета пород с распространением объёмных сил в виде бегущих волн внутри слоя и на его поверхностях с генерацией трещин и вариациями скважности.

Режим обоих прорывов как ограниченной цепочки последовательно поступающих соизмеримых притоков в ствол, аналогичный режим слабых водопроявлений в ствол и через барьерный целик, несинхронность аномально высоких притоков в разные стволы свидетельствуют о дискретном во времени распространении трещин. Прекращение прорывов в режиме «обрыва» фиксирует факт разрядки напряжений до прорывобезопасного уровня и завершение процесса поступательного распространения трещин у стволов и целика шахт.

Учитывая сильную зависимость проводимости пустот от сечения, можно заключить, что в ходе равновеликих водопроявлений последующих генераций прорыв происходил по новообразованным трещинам практически той же раскрытости, что и в ходе предшествующих фаз. Суммарное зияние трещин не «накапливалось», существующие трещины не раскрывались вновь до достигнутого при их образовании значения, оставаясь практически сомкнутыми.

Акустические эффекты в виде «ударов», предшествовавших очередной фазе прорыва, могут считаться указанием на разрушение монолитного слоя песчаника и появление прорывопроводящих каналов в новой его части по мощности.

Возможны следующие предельные сценарии формирования трещинной структуры слоя (по мощности): 1) распространение трещин пульсирующей раскрытости на новые части слоя при пребывании существующих трещин любого происхождения, в частности, генерированных затоплением, в состоянии с практически сомкнутыми стенками; 2) пульсация уже имеющихся крупных трещин, прекращение новообразования трещин в монолитной среде.

Развитие событий по первому варианту представляется наиболее вероятным при глубоком затоплении выходов довольно мощных слоёв песчаников, по второму - в альтернативной ситуации в массивах существенно глинистого состава с маломощными слоями песчаников.

Отсюда можно заключить, что число структурных перестроек, особенно ярко проявляющееся при формировании прорывоопасных трещин, должно быть прямо связано с мощностью слоя. Правомерность такого предположения подтверждается при сравнении мощности слоёв, продолжительности стадии и количества наиболее крупных водовыделений при прорывах в стволы главный № 2 и блоковый вентиляционный № 1. Здесь количество крупных импульсов - не менее 20 и 5 соответственно - оказалось

вполне пропорциональным мощности слоёв прорывопроводящего песчаника, которая составляла 24,1(?) и 6,2м.

При соотнесении мощности слоя песчаника с количеством импульсов выясняется, что полученное частное для обоих прорывов мало различается, будучи равным приблизительно 1, возможно указывая тем самым на расстояние в среднем около 1м между трещинами расслоения смежных генераций.

Независимость типологии развития и дебита прорывов от присутствия трещин различного происхождения, в частности, ранее генерированных затоплением, позволяет сделать заключение о наличии причинной связи крупных водопроявлений с формированием новых трещин и, соответственно, поступлением новых фаз прорыва вплоть до завершения распространения этих дислокаций на весь геомеханически активный и проводящий элемент массива (с густотой трещин параллельно напластованию около одной на погонный метр).

В случае с главным стволом № 2 и блоковым вентиляционным стволом № 1 прорывоопасное трещинообразование у стенок стволов, возможно, развилось вполне автономно от вялотекущего и не наложилось на него.

Главным путем распространения разуплотнения-уплотнения и водопроводящих каналов становятся в плане направление от субвертикальной границы водного объекта вглубь сухого массива по слоям песчаников-волноводов. Трещинообразование в разрезе слоя развивается, по-видимому, также в сторону от источника наиболее сильных возмущений - снизу вверх, в восходящем порядке. В пользу такого сценария говорит более глубокое затопление подошвы слоя.

Рассматриваемые случаи показывают, что при небольшом затоплении возникающие напряжения вызывают вялотекущее разуплотнение с постепенным новообразованием трещин или раскрытием уже существующих. При существенно более сильном (и быстром) темпе разгрузки потенциально водопроводящего элемента формирование прорывопроводящих трещин происходит в активном режиме высокоамплитудными рывками.

Рассмотренные данные могут считаться указанием на существование взаимосвязанных гидростатических (бароградиентных) и временных порогов для старта трещинообразования первого и второго вида, то есть, сильного и слабого, между которыми имеется также определённое типологическое сходство.

Один из бароградиентных порогов - около 110м отвечает глубине затопления выхода в водный объект слоя песчаника-области потенциального трещинообразования около 110-120 м; его преодоление вызывает формирование трещин второго типа (в целике шахт «Соколовская»-«Несветаевская») через 7-8 месяцев. Второй порог, соответствующий глубине затопления около 160-170 м, определяет условия формирования трещин первого вида; для этого необходима «выстойка» массива на контакте с водным объектом продолжительностью около 13 месяцев. Здесь имеются в виду наиболее высокие и чётко выраженные пороги.

По-видимому, одним таким комплексным из числа наиболее «низких» порогов является длительное (около 10 лет) затопление на глубину около 70м, которое привело к постепенному росту притока в стволы главный № 2 и клетевой № 2 шахты «Западная» (соответственно до 30 и 60 м /ч). При затоплении ниже первого порога трещины возникают и развиваются в весьма вялотекущем режиме.

Возможно существование также других порогов бароградиентных и временных воздействий.

Приведенные данные и результаты обработки информации позволяют сделать ряд важных в научном и прикладном отношениях выводов.

Разрядка внутренних напряжений, созданных водным объектом, порождает автоколебания, способные вызвать трансформацию литогенной основы (включая сплошность массива) и генерацию гидравлических импульсов с выбросом воды в горные выработки. Запуск процесса в активном режиме происходит при достижении определённой глубины и продолжительности затопления, прекращение функционирования - при завершении диссипации надпороговых напряжений в массиве. Импульс трещинообразования распространяется в основном в сечении осциллирующего слоя. Осцилляторы тяготеют к мощным слоям песчаников. Образование каналов более поздних, включая повторные, генераций можно ожидать также на контактах слоёв пород с резко различающимися деформационными характеристиками, прежде всего, песчаников и глинистых пород. Внутри слоёв аргиллитов, других механически слабых или ослабленных пород оно возможно за счёт опосредованного действия архимедовых сил. Образования каналов следует ожидать, прежде всего, в наиболее глубокой части затопленного пространства внутри выходящих сюда слоёв песчаников.

Общим свойством геодинамических явлений служит их развитие в условиях недостаточной релаксации напряжений. В рассмотренных случаях даже минимальной возможности прорывобезопасной релаксации и предотвращению интенсивного трещинообразования воспрепятствовал переход пороговых воздействий, то есть высокий и быстрый подъём уровня затопления пустотного пространства на шахтах «Несветаевская» и им. С.М. Кирова.

На антрацитовых месторождениях при размещении в массиве потенциальных дрен на неглубоких (до 500м) горизонтах в общем случае правомерно считать несущим угрозу залповых утечек водной среды затопление выходов этих дрен - слоёв песчаников - в техногенное пустотное пространство на глубину около 150-160 м и более [104106,108-110].

Подчинённое влияние прочностных свойств пород и композитов на их трещиностойкость даёт основание для вывода о малой перспективности борьбы с прорывами путём предварительного типового тампонирования пород [104,109].

Не исключено также, что тампонаж способен, напротив, провоцировать динамические явления рассмотренного типа.

В этой связи перспективным путём профилактики опасного трещинообразования представляется регулируемое по глубине и скорости затопление выработок в режиме, благоприятствующем релаксации напряжений, и соответствующая откачка шахт [104,109].

Рассмотренные случаи перетоков иллюстрируют возможность изменения первоначальной типологической характеристики гидравлического взаимодействия выработок и водных скоплений.

Привлечение механизма архимедовых сил удовлетворительно объясняет широкий спектр литогидрогеомеханических процессов, происходящих в недрах и на поверхности у затопленных шахт. В то же время, учитывая явную недостаточность этих сил для прямой дезинтеграции массива, следует отвести им роль источника сил разгрузки, а преодолению порогового уровня воздействий - спускового крючка для запуска существенного трещинообразования.

Наличие порогов, как и волновой характер распространения напряжений, служит признаком нелинейности трещинообразования. Формирование вокруг стволов шахты «Западная» прорывопроводящих трещин в условиях немногим - вдвое -

большего давления (на 80-90 метров водяного столба), чем при генерации здесь же слабораскрытых трещин, указывает на высокую нелинейность процесса.

Отметим, что краткосрочные подработки неглубоко затопленных выработок, материалы которых рассмотрены в главе 3, проходили при минимуме влияния водного объекта на проницаемость разделяющего массива. Этому обстоятельству, по-видимому, способствовало отсутствие протяжённых субвертикальных границ раздела сухой и водонасыщенной частей массива вокруг различных пластов.

4.4 Саморегуляция НДС массива вокруг затопленных горных выработок

Самопроизвольное прекращение прорывов, сокращение крупных перетоков, ослабление дренажа скоплений подземных вод, тенденция упорядоченности и локализации распространения деформаций, релаксации механических напряжений служат проявлением саморегуляции трещинообразования в породной среде и, в целом, НДС массива. Они свидетельствуют о способности системы «литогенная основа горного массива - подземный водоём» регулировать в автоматическом режиме механические аспекты своего состояния и взаимодействия водного скопления и дрены [106,108,109]. Эти выводы корреспондируются с заключениями разделов 3 и 4.1.1. Приведенные данные могут рассматриваться также как свидетельство содержательной тождественности ряда аспектов механической реакции массива на его гравитационное перемещение и появление глубоко затопленных выработок. Её сущность состоит в противодействии формированию сверхпороговых нарушений пород и напряжённого состояния массива путём диссипации сверхкритических механических воздействий процессами структурообразования.

Эти факты позволяют осуществлять изучение событий рассматриваемых групп с единых позиций и использовать обнаруженные закономерности в эвристических целях для перекрёстной интерпретации и прогнозирования процессов и явлений. Так, по аналогии можно, например, сделать вывод, что при затоплении развитие трещинной

расчленённости происходит в сторону от источника возмущения, как в плане, так и разрезе массива.

Выяснение причин трещинообразования при затоплении даёт основание для заключения о том, что, как и при сдвижении, образующиеся полости наиболее крупных размеров концентрируются в способных накапливать механические напряжения породных телах, которыми в углевмещающих массивах являются обычно слои песчаников.

4.5 Эволюция фильтрационной структуры массива под влиянием затопления

горных выработок

Приведенные данные показывают, что фильтрационная структура массива испытывает эволюцию и в ряде случаев качественные преобразования под влиянием техногенных воздействий и их последствий. Трансформация структуры развивается непрерывно под влиянием большого количества разнонаправленных факторов и может происходить по различным, вплоть до противоположных, траекториям в зависимости от общего вектора механических сил.

При затоплении шахт характерное для стадии эксплуатации снижение техногенных трещинной проницаемости и ёмкостных свойств в результате консолидации массива может сменяться её возрастанием.

В ходе интенсивного дренажа подземного водного объекта развивается тенденция улучшения гидравлической связи погашенных подготовительных и других выработок с обрушенным пространством под влиянием суффозии. При этом происходит вторичное формирование в техногенном пустотном пространстве системы каналов резко различной проницаемости с приближением последней к соотношениям, свойственным моменту прекращения горных работ на участке. Фильтрационная структура массива на месте вынутых залежей развивается в направлении восстановления структуры решётчато-ячеистого типа.

Образованию полостного водного объекта в выработках шахт сопутствует тенденция разуплотнения массива и самопроизвольная трансформация в гидродинамически малоизменяющихся условиях НДС в пульсирующем режиме. Развиваются преобразования фильтрационной структуры и проницаемости вмещающих осушенных (безводных) породных коллекторов путём скоротечного периодического образования и смыкания недолгоживущих трещинных пустот [115,116]. Эти выводы подтверждаются установленными случаями самопроизвольного растекания воды из затопленных шахт в недрах (Восточный Донбасс) [114,116].

В ходе затопления (и сдвижения) генерируются фильтрационные поля упорядоченной структуры, проявляется тенденция к локализации распространения пликативных и разрывных деформаций вокруг выработанного пространства и концентрации наиболее крупных из них в породных телах, способных к накоплению упругих напряжений сжатия и быстрой разгрузке этих напряжений.

Приведенные в главах 3, 4 данные показывают на возможность, как упрощения, так и усложнения в прерывисто-непрерывном режиме фильтрационной структуры массива под влиянием затопления выработок и сдвижения и параллелизм ряда сопровождающих их преобразований породной основы.

4.6 Общие выводы

Затопление выработок шахт вызывает динамизм проницаемости и фильтрационной структуры массива. Тенденция к сокращению и перекрытию породных каналов, снижению коллекторских свойств пород под влиянием сдвижения при затоплении ослабевает и может смениться на противоположную. Трансформация развивается в режимах от вялотекущего до сильного обострения.

Интенсивное движение шахтных вод в пустотном пространстве вызывает суффозию породной среды с улучшением гидравлической связи его частей, вторичным формированием системы каналов дифференцированной проницаемости на месте

обрушенного пространства и выработок различных видов. Процессы суффозии направлены на восстановление сформированной в ходе эксплуатации решётчато-ячеистой структуры пустотного пространства.

Обнаружен эффект самопроизвольного в импульсном режиме образования пустот трещинной морфологии во вмещающем массиве вокруг затопленных выработок угольных шахт с изменением фильтрационной структуры и проницаемости пород и волнообразного характера распространения новообразованных трещин в разрезе и плане.

Трещинообразование служит результатом перестройки НДС массива в ходе его вторичного водонасыщения и запускается действием архимедовых сил, после чего развивается автономно. При этом обнаруживается наличие гидростатических (бароградиентных) и временных порогов трещинообразования, фазовое отставание начала трещинообразования от затопления пустотного пространства, тяготение трещин естественного разуплотнения к слоям песчаников, возможность самопрекращения крупных водовыделений как результат смыкания фильтрующих трещин.

Определены значения ряда порогов трещинообразования.

Разуплотнение и уплотнение массива развивается дискретно; по-видимому, аналогичным образом происходит при этом движение земной поверхности.

Имеются гидролитогеомеханические признаки саморегуляции НДС массива у водного объекта в подземном пространстве.

Приведенные данные дают основание для признания эффектов приращения трещинной проницаемости при преодолении гидростатических (бароградиентных) и временных порогов и пульсации водопроводимости массива вокруг затопленных выработок в качестве реальных геомеханических закономерностей. Сделанные выводы служат развитием концепции «гидрогеодеформационного поля».

Выявленные процессы, явления и тенденции имеют, несомненно, общее значение. Их проявление ожидается в условиях горных отводов других угольных шахт и глубоких разрезов, а также горнорудных объектов.

При подготовке публикации [119], материалы которой использованы при составлении данной главы, наш вклад состоял в постановке задач исследований, проведении исследований, расчётов и обобщении полученных результатов, разработке моделей и алгоритмов реализации.

В ходе исследований, результаты которых изложены в главе 4, сформулированы следющие защищаемые положения:

3. Концептуальная модель самопроизвольного преобразования пустотности, фильтрационной структуры и проницаемости вмещающих горных массивов под влиянием глубокого затопления выработок шахт в пульсирующем режиме путём скоротечного образования и смыкания трещинных пустот, а в условиях активного водообмена в техногенном пустотном пространстве - также формирования внутри него системы суффозионных каналов различного порядка и дифференцированной проницаемости;

4.Трансформация фильтрационной структуры горного массива под влиянием глубокого затопления горных выработок после преодоления гидростатических и временных порогов воздействия проявляется в генерации и концентрации крупных водопроводящих каналов архимедова разуплотнения внутри и на границах породных тел, способных к глубокой аккумуляции и активному высвобождению механических напряжений сжатия.

Глава 5 Разработка концептуальной модели зон водопроводящих трещин сдвижения на участках очистной выемки пологих и наклонных каменноугольных

пластов

Практика горных работ свидетельствует о неудовлетворительном соответствии многих представлений о ЗВТС их реальным характеристикам, предопределяя необходимость разработки внутренне согласованной концептуальной модели зоны.

Концептуальная модель ЗВТС как система представлений о состоянии и свойствах, закономерностях формирования ассоциаций водопроводящих трещин сдвижения включает частные (вербальные, графические, количественные, качественные и иные) модели основных параметров и характеристик этого объекта.

Представленные ниже концептуальная и частные модели ЗВТС базируются на результатах анализа гидролитогеомеханических натурных явлений в выработках и недрах, сдвижения земной поверхности и пород, имитационного моделирования параметров систем трещин сдвижения.

В настоящем разделе сконцентрированы выводы предшествующих частей диссертации (опубликованы в [28,31,66-83,86,96,101,106-108,112,117,159 и др.]) и подтвердившиеся на практике разработки других специалистов [6,8,23,33,36,120,121]. Кроме того, здесь продолжено исследование накопленных сведений, причём основное внимание уделяется анализу информации об условиях ведения очистных работ под затопленными выработанными пространствами.

Представленные в настоящем разделе модели характеризуют ЗВТС, формирующиеся вокруг выработанного пространства в условиях управления горным давлением полным обрушением кровли. Они основываются на учёте закономерностей сдвижения и деформаций сдвижения массива и связи с ними вторичных гидродинамических свойств горных пород в условиях пологого и наклонного залегания. В основе разработанной системы представлений лежит блочная модель сдвижения и деформаций массива с саморегуляцией.

Внутри ЗВТС развиты пустоты различного генезиса, морфологии, размеров, степени гидравлической взаимосвязи. В абсолютном большинстве случаев общая

водопроводимость массива связана здесь в основном со свойствами трещин сдвижения. Они могут распространяться вдоль трасс уже имеющихся ослаблений, «развивая» существующие пустоты, или возникнуть в монолитной среде.

Водопроводящие трещины приурочены к зоне обрушения, зонам прогиба и поднятия пород с образованием трещин целиком или частично.

Рассматриваемая зона является динамичным объектом. Своего максимального распространения водопроводящие трещины достигают на участках очистной выемки в подработанной части массива, наиболее активно реагирующей на техногенное воздействие. Развитие трещин в почве пластов невелико. Формирование ЗВТС происходит с различной степенью отставания от проходки выработок, поэтапно сопровождая расширение выработанного пространства. Зона формируется не только позади, но также, нередко, впереди забоя выработки.

Разработанная концептуальная модель включает данные о видах водопроводящих трещин, размещении относительно выработанного пространства и элементов структуры массива, геометрических и фильтрационных характеристиках, фильтрационной структуре, других показателей и свойств зоны, факторах их формирования.

5.1 Виды водопроводящих трещин сдвижения

Зона водопроводящих трещин сдвижения образована трещинами этой генетической группы и различных подгрупп.

Водопроводящие трещины формируются в условиях отрыва или скола по уже существующим трещинам или являются новообразованиями. Они образуются при сверхкритических деформациях при несвязном прогибе либо проваливании, при поднятии и ступенчатом выпирании структурных элементов массива.

Образование трещин происходит преимущественно в процессе деформации отрыва на участках значительного изгиба или на контактах слоёв (пачек слоёв), оседающих с разной скоростью.

Внутри слоя водопроводящие трещины располагаются в основном по нормали к напластованию или параллельно ему. Они могут рассекать слои частично, на всю мощность, «переходить» в смежный слой, находиться на контактах слоёв, внутри них, простираясь субортогонально к этим контактам и параллельно им.

Возникающие при изгибе трещины вполне равномерно распределены в объёме слоя. В слоях аргиллитов и алевролитов внутри верхней половины ЗВТС по высоте трещины расслоения развиваются с шагом около 1м. Торцевые трещины представлены слабораскрытыми трещинами двух основных систем и не «переходят» в смежные ряды (пояса) блоков. Внутри ЗВТС в мощных слоях глинистых пород их протяжённость соответствует высоте блоков, то есть около 1м. На поверхности кровли слоёв аргиллитов и алевролитов сеть трещин образует ячейки стабильной формы и размеров, здесь трещины практически равнораскрыты.

Водопроводящие трещины данного вида составляют среднюю и верхнюю части ЗВТС над выработанным пространством.

Косвенные данные позволяют предполагать, что подобную водопроводящую трещинную структуру приобретают слои пород различного состава также в пределах надработанной толщи.

По совокупности морфолого-генетических признаков трещины этих разновидностей названы нами объёмнораспределёнными вследствие своей вполне равномерной рассеянности внутри слоёв в массиве.

Торцевые трещины другого генетического подтипа возникают при существенном различии смещения смежных частей слоя (пачки слоёв), перерастающего в деформации явного скола. Они расположены в непосредственной близости от разрабатываемого пласта, тяготея к узким зонам у временных и, особенно, постоянных границ выработанного пространства. Морфологически трещины нередко представляют собой явно выраженные широкие, одиночные или эшелонообразно расположенные в кровле и почве выработанного пространства пластиноподобные полости довольно существенной протяжённости. Типичным является их «сквозной» по отношению к

нескольким слоям характер. Трещины, как правило, непосредственно открываются в выработанное пространство и оконтуривающие его подготовительные выработки.

Формирование этих трещин характерно для зон повышенного давления различного происхождения - под склонами контрастных положительных элементов природного рельефа, крупных терриконов, а также у целиков по разрабатываемому пласту, под и над целиками на сближенных пластах.

Их образованию благоприятствует значительная величина вынутой мощности, высокая прочность углей и вмещающих пород, длительное зависание кровли выработанного пространства, малая глубина разработки.

По комплексу морфолого-генетических признаков трещины этой разновидности, как тяготеющие к узким зонам и секущие слои или пачки слоёв, названы нами линейноконцентрированными, или контурными, или обреза.

Трещины расслоения на контакте слоёв - водопроводящие трещины нового третьего вида - образуются в результате их отрыва при несовпадении амплитуды смещения смежных слоёв. Их раскрытость может быть значительна и всегда динамична, а протяжённость в сторону от выработанного пространства достигать 150м.

Генетически близкими к ним являются полости, возникшие в ходе раскрытия пустот «по» сместителю разрывных нарушений. Протяжённость водопроводящих трещин раздвига - трещин нового четвёртого вида - может составлять, как вытекает из косвенных данных (раздел 5.8), сотни метров над выработанным пространством [108,113].

Высота распространения трещин обреза в подработанном массиве у границ выработанного пространства не превышает обычно 20м, глубина развития под ним -первых метров, хотя в ряде природно-технических ситуаций протяженность трещин может быть намного больше.

Наблюдается достаточно чёткое обособление областей локализации водопроводящих трещин обреза и объёмнораспределённых.

Торцевые трещины имеют довольно низкую, а послойные, - напротив, высокую проницаемость и сообщаются между собой гидравлически. Трещины обреза характеризуются весьма высокой проводимостью и служат каналами поступления прорывов воды и водо-породных смесей. Также весьма высокой, хотя и кратковременной, проницаемостью обладают трещины расслоения и раздвига.

5.2 Динамика формирования систем водопроводящих трещин

Водопроводящие трещины распространяются по мере вовлечения массива в сдвижение и преодоления вещественно-структурными элементами массива порога докритических деформаций. Параллельно с образованием, развитием и распространением водопроводящих дислокаций здесь, также как в отдалённых и соседних областях породной толщи, протекает их редукция.

При этом происходит появление новых, расширение и сужение уже имеющихся трещин различного генезиса, изменение степени гидравлической (и аэродинамической) взаимосвязи отдельных из них и их систем.

Ход этих процессов находит выражение в изменчивости формы, размеров, проницаемости ЗВТС. О динамике размеров и проницаемости ЗВТС дают представления прямые и разнообразные косвенные данные.

Они свидетельствуют о характерном для слоистых массивов неравномерном во времени распространении водопроводящих трещин. Старт распространению даёт первичное обрушение непосредственной, затем - основной кровли, а следующие импульсы - новое их обрушение. Эти процессы сопровождают расширение площади выработанного пространства. В общем случае имеет место последовательное расширение ЗВТС до некоторого предела рывками.

Практика горных работ свидетельствует о том, что скорость распространения водопроводящих трещин может варьировать от незначительной до десятков метров в сутки с момента обрушения кровли. Наибольшие скорости присущи трещинам обреза и раздвига. Окончательное «оформление» границ максимального распространения трещин может занимать многие десятилетия.

Более детальная информация о распространении водопроводящих трещин может быть получена на основе натурной фиксации процесса развития ЗВТС.

Характер развития ОВТ по мере подвигания очистного забоя над лавой проиллюстрируем для условий Карагандинского бассейна с использованием наблюдений за сдвижением глубинных реперов в скважине (по материалам [39]).

Определение положения верхней границы ЗВТС вдоль трассы скважины выполним с применением разработанного нами способа определения высоты зоны [75,76].

Его сущность состоит в измерении оседания слоев подрабатываемой толщи, сравнении их с критическими значениями, определении на этой основе возможности расчленения слоя водопроводящими трещинами, и нахождении таким путем сохранившего свою сплошность слоя - верхней границы ЗВТС. Сведения о геологическом разрезе массива, оседании слоев, результаты определения высоты зоны и ее динамики приведены на рисунках 5.1-5.3.

1 - глины, 2 - песчаник, 3 - алевролит, 4 - аргиллит, 5 - уголь, 6 - траектория оседания репера

Рисунок 5.1 - Развитие оседания слоев подработанной толщи по мере подвигания забоя лавы

Ит,м

о ю 20 30 /, м

10 20 30 1 сутки

Рисунок 5.2 - Изменение высоты Нт зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством с начала подработки пункта измерений во времени / (кривая 1) и в зависимости от отхода I очистного забоя от этого пункта (кривая 2)

Рисунок 5.3 - Зависимость скорости распространения водопроводящих трещин V в разрезе подработанной толщи во времени / с момента начала подработки пункта измерений

Среднее значение скорости вычислено на основе данных о текущей величине высоты ЗВТС и продолжительности отрезка времени ее приращения. Результаты расчётов приведены на рисунке 5.3.

Анализ измерений показывает неравномерный характер развития ЗВТС в рассматриваемой ситуации. Наиболее быстро (со скоростью до 3 м/сутки) перемещение границы зоны происходило в течение первых 8 суток - начальную стадию активного оседания песчаника основной кровли выработанного пространства. Вскоре приращение высоты снизилось до 0. Эти результаты хорошо согласуются с изложенными выше представлениями о распространении деформаций сдвижения в подработанной части массива. К исходу 19-х суток с момента непосредственной подработки скважины высота зоны в наблюдательном пункте достигла своего предельного за время измерений значения - 21м. Отход забоя от пункта исследований составил при этом 14м [39].

Консолидация массива сопровождаются снижением проницаемости и размеров областей развития трещин сдвижения.

Трансформация зон водопроводящих трещин зависит от динамики и стадии развития сдвижения и деформаций массива и свойств слагающих его пород.

Время жизни ОВТ в песчаниках и известняках может быть неопределённо долгим. В массивах глинистых неразмокающих пород эти трещины способны сохраняться на протяжении, по меньшей мере, десятилетия.

Весьма долгоживущими являются линейноконцентрированные трещины и их ассоциации, поскольку в зонах высокого давления имеются благоприятные условия для систематического «подновления» дислокаций и развития суффозии.

Аналогичная динамика характерна для формы, размеров, проницаемости по нормали к напластованию для зон трещин простейших видов и типичных ЗВТС.

Минимальную продолжительность существования имеют трещины расслоения как ориентированные субнормально к главному вектору стабильных напряжений и перемещений, относительно более высокую - трещины раздвига. В условиях их сужения проницаемость этих трещин имеет тенденцию к снижению.

Правомерно сделать вывод, что на заключительной стадии сдвижения сужение всех трещин имеет асимптотический характер.

5.3 Форма ЗВТС

Граница ЗВТС проходит по контуру сверхкритических разрывных деформаций массива. Форма ЗВТС определяется конфигурацией зон обрушения, прогиба и поднятия пород с образованием трещин и является динамичной, особенно, на начальной стадии развития зоны.

Большая часть зоны размещается над выработанным пространством в пределах его плановой проекции.

В общем случае зоны состоят из основной части и ответвлений от неё, которые образуются водопроводящими трещинами различных видов (рисунки 5.4-5.7).

Форма зоны зависит от характера сдвижения массива и его элементов, который в свою очередь определяется такими факторами, как литологический состав области их распространения, степень удаления от выработанного пространства, а также наличия структурных неоднородностей, включая разрывные нарушения, тела магматических

т-ч и о

пород и проч. В ненарушенных сквозными разрывами массивах верхней границей

Рисунок 5.4 - Зона водопроводящих трещин обреза (а) и объемнораспределенных водопроводящих трещин (б) над выработанным пространством (вертикальный разрез)

Рисунок 5.5 - Характерная форма зоны водопроводящих трещин сдвижения (вертикальный разрез)

Рисунок 5.6 - Зона водопроводящих трещин сдвижения над выработанным пространством у крупного разрывного нарушения (вертикальный разрез)

в

Рисунок 5.7 - Форма ЗВТС в разных ситуациях: а,б - в условиях проваливания подработанной толщи; в,г - в условиях прогиба подработанной толщи при разработках разных пластов на участке; д - над подготовительной или капитальной выработкой под влиянием подработки

распространения ОВТ служит ближайший к выработанному пространству связно деформировавшийся слой пород, а нижней - испытавший аналогичные деформации слой под выработанным пространством. Верхняя и нижняя границы зоны проходят по кровле или внутри граничного слоя.

Боковые границы зон ОВТ проходят по контурам участков сверхкритических деформаций слоёв. На основании косвенных данных можно сделать вывод, чтораспространение ОВТ не выходит по высоте из области полных сдвижений. В массивах однородного литологического состава зоны этих трещин имеют облик усечённой пирамиды, существенно отклоняясь от неё при смешанном составе породной

толщи. Отклонение от данной формы в массивах типичного состава происходит за счёт появления «ответвлений», приуроченных к слоям жёстких пород - песчаников, конгломератов, известняков. Длина «ответвлений-консолей», по-видимому, прямо связана со способностью этих слоёв к зависанию.

В случае присутствия в подработанной толще нескольких слоёв песчаников и известняков зона имеет здесь вид «многошляпочного гриба». Учитывая однотипную реакцию слоёв различных горных пород на сдвижение, по-видимому, аналогичную форму подобные зоны имеют также в надработанной части массива.

Положение боковой границы области распространения водопроводящих трещин рассматриваемого генезиса в смежных интервалах разреза весьма существенно варьирует в зависимости от литологической принадлежности последних, а также удалённости слоя от выработанного пространства.

В непосредственной близости над ним длина (ширина) ответвлений повышенной трещиноватости не превышает обычно 5-8 м. Ситуация изменяется по мере удаления от кровли выработанного пространства. В пределах слоёв известняков и песчаников размеры зоны в плане значительно, на 100-150 м, шире, чем в слоях глинистых пород. Вместе с тем, по мере роста удалённости с некоторого момента длина «ответвлений» начинает сокращаться вслед за снижением размеров вовлекаемой в сдвижение области массива.

Вдоль сместителей крупных нарушений, а также на контактах продуктивных пород и секущих магматических тел ответвления ЗВТС могут простираться на сотни метров от основной части зоны.

Поскольку водопроводящие трещины обреза концентрируются преимущественно вдоль периметра выработанного пространства, зоны таких трещин над и под ним имеют «коробковидную» форму, опирающуюся донной частью на выработанное пространство, во втором случае, опрокинутую.

В условиях преимущественного развития в массиве водопроводящих трещин одной разновидностей происходит образование ЗВТС простейших, или элементарных форм, представленных на рисунке 5.4 (в разрезе). Трещины расслоения и раздвига образуют «самостоятельную» ЗВТС, первые из них - в основном в условиях косой слоистости боковых пород. Форма зоны над выработанным пространством у крупных разрывных нарушений показана на рисунке 5.6.

В типовых условиях, когда происходит последовательное или параллельное формирование систем трещин различных видов, например, ОВТ и трещин обреза, ЗВТС имеет составной облик. Подобная форма имеет наиболее широкое распространение вследствие относительной долгоживучести таких трещин.

Характерные формы ЗВТС в наиболее распространённых природно-технических ситуациях - в условиях проваливания (при развитии мощных покровных отложений, очистных работах в зоне выветривания или вблизи неё, разработках разных пластов на участке) и прогиба подработанной толщи изображены на рисунке 5.7.

Деформационная неоднородность массива может привести к формированию нескольких обособленных друг от друга ЗВТС, выполняющих своё функциональное «назначение» для разных выработок на различных пластах. Результатом появления подобных зон может стать поступление по водопроводящим трещинам дополнительных притоков из новых источников обводнения в уже существующие или будущие выработки, в последнем случае, на ранее неподработанном участке (рисунок 5.7д). Эти водопроявления и притоки воды в формирующую ЗВТС выработку, как правило, автономны.

5.4 Модель размеров ЗВТС

Зоны водопроводящих трещин сдвижения имеют сложную конфигурацию и, соответственно, несколько характерных геометрических измерений - высоту, глубину (размер под выработанным пространством), мощность (общий размер по вертикали, включая собственно выработанное пространство).

Математическая модель высоты ЗВТС разработана нами на основе обобщения аутентичных, а также заимствованных из [6] материалов 74 первичных подработок затопленных выработок при выемке пологих и наклонных пластов в Кузнецком, Донецком, Челябинском бассейнах и на Буланашском месторождении. Высота ЗВТС принимается равной максимальной мощности междупластий при подработках с

поступлением воды из этих водных объектов по трещинам сдвижения данной генерации.

Обработка данных произведена методом графиков граничных условий. Фактические данные и результаты их обработки приведены на рисунках 5.8, 5.9.

1 2 з от, м

1, 2 - подработки с водопритоком из затопленных выработок, соответственно, в условиях слабой дизъюнктивной нарушенности междупластья и размещении водного объекта на висячем крыле сброса; 3,4 - подработки без водопритока в аналогичных условиях

Рисунок 5.8 - Зависимость высоты Нт зоны водопроводящих трещин сдвижения и прорывобезопасной глубины 0,5Нт подработки затопленных выработок от вынимаемой мощности т на месторождениях угля в массивах скальных и полускальных пород

Граничные кривые характеризуют предельное положение верхнего контура зоны в массивах смешанного усреднённого песчано-глинистого состава. Они учитывают зависимость высоты (в метрических единицах - метрах и кратности, то есть Нт/т) от ведущего фактора возмущений - «вынутой мощности» т.

Полученные графики являются огибающими семейства кривых, описывающих

Рисунок 5.9 - Зависимость высоты Кт зоны водопроводящих трещин сдвижения от вынимаемой мощности т на месторождениях угля в массивах скальных и полускальных пород

Условные обозначения на рисунке 5.8.

вариации высоты зоны в пространстве факторов формирования трещин при фиксированной вынутой мощности. Они проведены с учётом качественных изменений в распространении трещин при величине вынутой мощности менее и свыше 1,3-1,4 м. Вместе с тем, массив обработанных данных объективно свидетельствует о наличии таких изменений.

Высота зоны имеет вид [34,59,73,74,172]:

- в метрических единицах

Нт = - 22,5т + 13,5т2 + 1,7т3 + 33, м, (5.1)

- в единицах вынутой мощности

Кт = 30т - 15,5т2 + 3,4т3 + 1. (5.2)

Вынутая мощность определяется как сумма идущих в добычу угольных пачек, породных прослоев, слоёв почвы и кровли выработанного пространства.

Приведенные математические модели включают высоту области обрушения.

При оседании труднообрушаемого слоя пород основной кровли крупными глыбами высота зоны должна быть увеличена на его мощность, которая прибавляется к рассчитанным по формулам (5.1), (5.2) значениям.

Приведенные зависимости выражают максимально возможную высоту зон ОВТ в массивах существенно песчано-глинистого состава и дают, как правило, завышенную оценку развития трещин обреза.

Формулы (5.1) и (5.2) описывают высоту ЗВТС в условиях полных сдвижений граничного слоя её максимального распространения. В конкретных условиях этот параметр зоны может быть ограничен степенью подработанности массива.

Высота Нп области полных сдвижений находится в следующей зависимости от минимального размера выработанного пространства в плане [73,130]:

Нп = Д (д У2, (5.3)

где Д - минимальный размер выработанного пространства вдоль или вкрест простирания слоёв;

у2 - угол полных сдвижений у верхней границы выработки вкрест простирания слоёв.

В качестве расчётного значения высоты ЗВТС принимается меньшая из полученных по формулам (5.1) и (5.3) величин.

Формула (5.1) вошла в руководящий документ федерального уровня [34].

Область определения формул (5.1)-(5.3): выемочные мощности от 1,3 до 3,0м, пологое и наклонное залегание, разработка вне зоны выветривания, преимущественно песчано-глинистый состав подработанной толщи пород, отсутствие склонных к зависанию слоёв.

Глубина развития ЗВТС в почве выработанного пространства в условиях пологого и наклонного залегания составляет обычно первые метры и только на участках крупных разрывных нарушений может быть больше.

Размеры ЗВТС в плане могут, как превышать ширину выработанного пространства, так и не выходить за его границы в плане. В 10-15 м над ним ширина ответвлений зоны не превышает обычно 5-8 м и постепенно нарастает с удалением от кровли выработанного пространства. В слоях известняков и песчаников размеры зоны на 50-70 и 150м, соответственно, шире, чем в слоях глинистых пород, что необходимо

учитывать при оценках размеров ЗВТС на удалении до 100м над выработанным пространством.

Массовые данные подработок затопленных выработок свидетельствуют, что выемка при попадании водного объекта в ЗВТС, то есть подработка на глубинах меньше Нт и Кт, часто не ведёт к прорыву воды, а сопровождаются притоком, не представляющим непосредственной опасности. Фактическая глубина безопасной подработки составляет, как правило, некоторую часть - не более чем половину высоты ЗВТС (рисунки 5.8, 5.9), что позволяет осуществлять выемку при вскрытии водного объекта ЗВТС, и, прежде всего, её верхней половиной.

Материалы подработок затопленных выработок дают возможность оценить масштаб и характер погрешностей определения высоты ЗВТС, безопасной по прорывам глубины подработки различных водных объектов на основе положений нормативных документов действующих [33,130] и им предшествующих [129]. Подчеркнём, что высота ЗВТС соответствует минимальной глубине безопасной подработки Нбез и Кбез водных объектов [129,130].

На рисунках 5.10 и 5.11 нанесены кривые А, Б, характеризующие высоту ЗВТС и глубину безопасной подработки водных объектов (по [130]) в различных единицах измерения, и рассчитанные по формуле (1.25) для подработанного массива, сложенного песчаниками, в одном случае (кривая А), аргиллитами или алевролитами, в другом (кривая Б), то есть, как считается [6,130], наиболее и наименее благоприятных условий для развития зоны, соответственно. Подчеркнём, что кривые характеризуют согласно [130] развитие ЗВТС в условиях подработок водных объектов всех видов за исключением затопленных выработок.

Сравнение показывает, что расчётные (прогнозные) значения существенно отличаются от фактических. Так, результаты по меньшей мере 11 подработок затопленных выработок - соответствующие им точки подработок без увеличения притока находятся ниже кривой Б, а также большая часть точек между кривыми А и Б -не согласуются с моделями высоты, фигурирующими в действующем нормативном документе [130]. Значительные отклонения имеют место в диапазоне вынутых мощностей 1,0-2,1 м, для большей части которого характерно систематическое завышение прогнозных значений по отношению к фактическим.

Рисунок 5.10 - Зависимость высоты Нт зоны водопроводящих трещин сдвижения и прорывобезопасной глубины Нбез=Нт подработки водных объектов (за исключением затопленных выработок) от вынимаемой мощности т на месторождениях угля в массивах скальных и полускальных пород фактическая и по действующим руководящим документам (А, Б - Нт=Нбез по [130] в массивах, сложенных соответственно песчаниками и глинистыми породами; 1,2 - подработки с водопритоком из затопленных выработок и без водопритока)

Аналогичное сравнение произведено [112] для оценки применимости рекомендаций нормативных документов, в том числе, ранее действовавших, регулирующих вопросы расчета высоты ЗВТС и безопасной глубины подработки такого вида водных объектов как затопленные выработки [33,130].

На рисунках 5.12 и 5.13 нанесены кривые А, Б, характеризующие значения высоты в различных единицах измерения в массиве, сложенном исключительно песчаниками (кривая А) и аргиллитами или алевролитами (кривая Б) [130], а также кривые В, Г, модели высоты зоны применительно к ситуации подработки затопленных выработок [33] в массиве, сложенном только песчаниками (кривая В) и аргиллитами или

Рисунок 5.11 - Зависимость высоты Кт зоны водопроводящих трещин сдвижения и прорывобезопасной глубины Кбез=Кт подработки водных объектов (за исключением затопленных выработок) от вынимаемой мощности т на месторождениях угля в массивах скальных и полускальных пород фактическая и по действующим руководящим документам (А, Б - Кт=Кбез по [130] в массивах, сложенных соответственно песчаниками и глинистыми породами; 1,2 - подработки с водопритоком из затопленных выработок и без водопритока)

алевролитами (кривая Г). Кривые В и Г отвечают условиям Нт = 40т (при т < 2м), Нт = 35т (кривая В), Нт = 25т (кривая Г) (в обоих случаях не менее 80м для т > 2м) и Кт = 40 (при т < 2м), Кт = 35 (кривая В), Кт = 25 (кривая Г) (в обоих случаях не менее 80м для т > 2м) соответственно для водных объектов данного вида согласно ныне действующим нормативам [3,130].

Сравнение показывает, что прогнозные значения высоты зоны согласно [33,130] в 6 случаях не подтверждаются исходом подработки затопленных выработок, которая не сопровождалась поступлением воды из водного объекта.

Значительные отклонения наблюдаются во всём рассматриваемом диапазоне вынутых мощностей (т=1,3^3,0 м), для большей части которого характерно систематическое завышение расчётных значений высоты против фактических. Более

Рисунок 5.12 - Зависимость высоты Нт зоны водопроводящих трещин сдвижения и прорывобезопасной глубины Нбез подработки затопленных выработок от вынимаемой мощности т на месторождениях угля в массивах скальных и полускальных пород фактическая и по действующим руководящим документам (В, Г - Нт = Нбез по [33] в массивах, сложенных соответственно песчаниками и глинистыми породами; 1,2 -подработки с водопритоком из затопленных выработок и без водопритока)

значительные расхождения имеют место при оценке прорывоопасности. Отметим, что кривые А, Б, В, Г на рисунках 5.11-5.13 (согласно положениям нормативных документов [33,130]) также указывают на минимальную глубину безопасной подработки Нбез и Кбез водных объектов в отношении прорывов: В и Г - затопленных выработок, А и Б - полостных объектов других видов.

Прорывы воды - без серьезных последствий - имели место в случаях, когда водный объект размещался в нижней по высоте половине ЗВТС.

В соответствии с положениями действующего руководящего документа применительно к подработкам затопленных выработок из 46 (потенциально) случаев безусловно опасных подработок - оценка велась в координатах кратности - прорывы

кт, м,

крат крат

60

40

20

0

] 2 3 т, м

Рисунок 5.13 - Зависимость высоты Кт зоны водопроводящих трещин сдвижения и прорывобезопасной глубины Кбез подработки затопленных выработок от вынимаемой мощности т на месторождениях угля в массивах скальных и полускальных пород фактическая и по действующим руководящим документам (В, Г - Кт = Кбез по [33] в массивах, сложенных соответственно песчаниками и глинистыми породами; 1,2 -подработки с водопритоком из затопленных выработок и без водопритока)

произошли только в 4; при оценках в координатах метрических из 52 случаев опасными фактически явились 4 подработки. Можно констатировать завышение степени риска против оказавшегося реальным. В соответствии с положениями действующего руководящего документа применительно к подработкам затопленных выработок из 46 (потенциально) случаев безусловно опасных подработок - оценка велась в координатах кратности - прорывы произошли только в 4; при оценках в координатах метрических из 52 случаев опасными фактически явились 4 подработки. Можно констатировать завышение степени риска против оказавшегося реальным.

В полной мере эти выводы справедливы в отношении требований ныне отмененного нормативного документа [129], что показано в [73,74,172]. Отклонения наблюдаются во всём рассмотренном диапазоне вынутых мощностей (т = 1,3^3,2 м), для большей части которого характерно при этом систематическое превышение

ожидаемых значений по отношению к фактическим. Здесь имеют место те же тенденции, что и при расчётах высоты зоны.

Необходимо отметить, что по понятным причинам все положения руководящих документов предусматривают значительное завышение расчётных (прогнозных) значений высоты зоны против фактических, а также относительно более «пессимистическую» оценку ожидаемой степени прорывоопасности условий подработки во всём рассматриваемом диапазоне управляющего фактора.

Приведенные данные свидетельствуют о недостаточной обоснованности представлений, на которых базируются действующие в настоящее время нормативные документы, регламентирующие условия первичной подработки затопленных выработок [33,130] и водных объектов других видов [130].

Они показывают несостоятельность методологической основы, заложенной внормативный документ [130], определяющий условия ведения очистных работ под водными объектами.

Подтверждается вывод об ужесточении предписываемых условий подработки затопленных выработок против фактически возможных в значительной части

и /-Ч и

рассматриваемого диапазона выемочных мощностей. С другой стороны, применение рассматриваемых рекомендаций для верхней части данного диапазона также не обеспечивает достижения поставленной цели - предотвращения поступления водопритока из водного объекта.

Вместе с тем, следует отметить определённое сближение результатов прогнозов с реализованными фактически в новых нормативных документах под влиянием разработок автора и созданной им фактографической базы данных.

Эти материалы показывают относительное соответствие предложенных нами моделей натурным явлениям, возможность выполнить на их основе более надёжный прогноз Нт. Результаты исследований указывают на целесообразность использования универсальных моделей высоты зоны независимо от вида объекта.

В отношении зависимости кратности значений высоты ЗВТС от управляющего параметра т наблюдается тенденция, не столь резко выраженная как в [129,130] и более соответствующая натурным явлениям. Соответственно, через кратность несколько более надёжно выражается модель высоты зоны и определяются ожидаемые условия подработки.

Вид кривой зависимости Нт от т может быть расценен как свидетельство сублинейности связи размера зоны с главным фактором, что в целом расходится с представлениями о её нелинейности и отставания роста Нт от т, а также с существованием саморегуляции сдвижения и деформаций массива. Эти несоответствия являются на наш взгляд мнимыми и снимаются при использовании в качестве фактора не т, а её степенной функции. В этом случае связь Нт с т становится нелинейной и «отстающей». Данный вывод подтверждается относительно более близким к линейному и «отстающим» характером связи Кт с т.

5.5 Проницаемость пород внутри зон водопроводящих трещин сдвижения

Проницаемость пород внутри ЗВТС определяется в основном свойствами трещин сдвижения, дифференцированных в зависимости от литологического состава вмещающих их пород и стадии сдвижения.

Для массива внутри ЗВТС весьма характерна неоднородность, включая анизотропию, фильтрационных свойств, их плановая и вертикальная зональность.

В первом приближении правомерно считать, что внутри области развития ОВТ проницаемость существенно зависит от вещественного состава породного элемента и менее существенно от его расположения по отношению к выработанному пространству.

Водопроводимость обрушенной породной массы весьма велика во всех направлениях. Она имеет тенденцию к снижению в результате уплотнения пород, для породной массы глинистого состава до незначительной величины.

Проницаемость массива по трещинам обреза может считаться неограниченно высокой практически при любом составе пород.

В зоне прогиба пород с образованием трещин проницаемость наиболее значительна по трещинам расслоения, становясь в момент их наибольшего раскрытия «неограниченно» высокой, затем снижаясь по мере смыкания. Вторым направлением анизотропии проницаемости служит нормаль к напластованию. Здесь фильтрационные свойства зависят от литологического состава, мощности породных слоёв (максимальны для мощных слоёв песчаников и известняков) и расстояния от выработанного

пространства, снижаясь по мере удаления в этом направлении вплоть до совершенной стабилизации для слоёв глинистых пород.

В области распространения ОВТ возникает слоистая структура, где отдельные слои-страты, связанные с породами различного состава, имеют весьма дифференцированную вертикальную проницаемость.

Максимальной проницаемостью обладают слои песчаников (коэффициент фильтрации по нормали к напластованию может достигать нескольких м/сутки, причём на локальных участках быть намного выше); коэффициент фильтрации слоёв аргиллитов и алевролитов в этом направлении асимптотически стремится к 0,003 м/сутки. В нижней половине ЗВТС над выработанным пространством вертикальная проницаемость этих слоёв может быть намного выше. При этом происходит рост фильтрационных свойств в направлении от кровли к почве слоя.

Схема распределения значений коэффициента фильтрации в пределах подработанной части массива по нормали к напластованию в верхней части области распространения ОВТ приведена на рисунке 3.13.

Выводы о величине коэффициента фильтрации песчано-глинистого массива подтверждены результатами расчетов, приведенных в таблице В. 1 Приложения В.

Как показано в Приложении В (таблица В.2), погрешность прогнозирования притока в лаву при подработке затопленных выработок на вышележащих пластах с применением разработанной нами зависимости на основе заключения о величине коэффициента фильтрации разделяющего песчано-глинистого массива 0,003 м/сутки на обучающей выборке (глава 3) колеблется от + 450 до - 21%, при среднем значении по модулю до 69%. В то же время погрешность прогнозирования для этих подоработок по методике ВНИМИ [6,74,172] колеблется от - 100 до + 5584% при среднем значении по модулю 2037%.

5.6 Гидродинамические граничные условия на контурах и внутри ЗВТС

Движение подземных вод внутри ЗВТС направлено вниз к кровле разрабатываемого пласта и в противоположном направлении со стороны его почвы. При

этом внутри зоны наблюдается сток воды с периферии к центральной части мульды сдвижения слоёв. Трещины расслоения и обреза выполняют водосборные функции, направляя поток воды в выработанное пространство. Внешние границы ЗВТС служат, как правило, контурами стока подземных и поверхностных вод - границами с постоянным расходом [87].

Внутри ЗВТС прослеживается тенденция к снижению фильтрационных свойств в направлении от почвы к кровельной части слоёв и для пород одного и того же литологического состава - в сторону от выработанного пространства, то есть имеют место граничные условия IV рода.

В условиях отведения (стока) воды из выработок зона обрушения дренирует скопления подземных вод в обрушенных породах на истощение.

В зоне прогиба пород с образованием трещин происходит снижение уровней подземных вод. Внутри зоны ОВТ над разрабатываемым пластом на контактах глинистых и песчаных слоёв происходит гидравлический разрыв фильтрационного потока. Расчленение происходит также внутри слоёв пород глинистого состава мощностью свыше 3м. Оно сопровождается каскадным снижением напоров на кровли расположенных ниже в разрезе слоёв и рядов блоков [74,77,87,172].

При развитии в основании согласнозалегающего водного объекта песчаников (известняков, конгломератов) высота зоны гидравлического единства фильтрационного потока может охватить всю пачку этих «жёстких» пород вплоть до первого на пути потока слоя глинистого состава. При разгрузке водного объекта напорный градиент потока численно близок средней величине гидростатического давления на кровлю этого слоя, выраженной в метрах водяного столба.

При нисходящих перетоках между водоносными горизонтами величина напорного градиента стремится к единице.

5.7 Факторы формирования ЗВТС и их характеристик

Водопроводящие трещины сдвижения образуются под влиянием тех же факторов, что и трещины данной генетической группы других разновидностей. Их формирование

происходит в ходе процессов противоположной направленности, определяющих возникновение, развитие и распространение деформаций.

Угасание сдвижения пород сопровождается ослаблением, а затем и прекращением трещинообразования, выклиниванием ЗВТС в области докритических деформаций пород.

Распространение водопроводящих трещин определяется характеристиками источника возмущения и реакцией геологической среды. Развитие трещин зависит от размеров выработанного пространства, способа управления горным давлением, литологического состава, структуры и напряжённого состояния массива, деформационных свойств его элементов и других факторов. Действие факторов носит комплексный характер, проявляясь в регуляции видообразования трещин, геометрических, фильтрационных и других параметров их зон.

Значение факторов соответствует их воздействию на сдвижение и трещиностойкость породной толщи. Оно реализуется через амплитуду, скорость, неравномерность и другие показатели смещения пород. К числу важнейших факторов принадлежат «размеры выработанного пространства», «способ управления проявлениями горного давления» и «структура подработанной толщи».

Первичный импульс возмущений определяют «размеры выработанного пространства» (высота - «вынутая мощность» и «протяжённость в плане»). Другими сильными техногенными факторами служат: способ управления проявлениями горного давления, скорость и ритмичность подвигания очистного забоя, наличие поблизости выработанного пространства, наличие предшествующих подработок и(или) надработок и проч.

Среди способов управления горным давлением наиболее сильное влияние на дальность распространения ЗВТС оказывают (в порядке убывания): полное обрушение кровли, плавное опускание кровли, частичное обрушение кровли, частичная закладка. Наименее благоприятны полная закладка выработанного пространства твердеющим материалом и камерная система разработки, препятствующие развитию сдвижения.

Увеличение вынутой мощности вызывает прирост высоты зоны, однако прямая пропорциональность связи отсутствует. При превышении вынутой мощностью значения 1,3 м происходит изменение характера образования трещин с, поначалу,

непропорционально большим ростом высоты их распространения, сменяющимся затем ослаблением связи.

Снижение плановых размеров выработанного пространства негативно отражается на скорости и интенсивности развития ЗВТС над и под выработанным пространством и может резко снизить влияние величины вынутой мощности.

Влияние размеров выработанного пространства, физико-механических свойств пород, ряда других параметров ослабляется либо полностью нивелируется саморегуляцией сдвижения и деформаций сдвижения, придающей формированию трещинной расчленённости и проницаемости его элементов инвариантный характер в значительном диапазоне изменчивости этих и многих других факторов.

Большое значение имеет порядок отработки сближенных пластов, разрыв во времени между проходкой горных выработок, размещение границ выработанного пространства на одном и том же или различных пластах.

Условия для формирования трещин обреза особенно благоприятны при расположении границ целиков на соседних пластах в одном створе, когда напряжения в массиве суммируются и опорное давление достигает максимума.

При нисходящем порядке отработки сближенных пластов условия для распространения водопроводящих трещин всех видов обычно менее благоприятны, чем при восходящем порядке.

При небольшом разрыве во времени между проходкой горных выработок происходит усиление и ускорение распространения водопроводящих трещин.

На участках камерной разработки или извлечения угля с оставлением устойчивых межлавных целиков в зависимости высоты ЗВТС от содержания песчаников в нижней части подработанной толщи прослеживается аналогичная направленность, связанная с характерным для таких условий зависанием массива.

Вместе с тем, при разрушении межкамерных целиков происходит аномально высокое распространение трещин обреза.

Саморегуляция делает ряд гидродинамических последствий сдвижения инвариантным к возмущающим воздействиям уже на некотором удалении от выработанного пространства. Вместе с тем, в непосредственной близости от него ход и результаты сдвижения довольно существенно зависят от структурно -деформационных

характеристик среды, определяющих чувствительность последней к трещинообразованию и способность к трансляции возмущений.

Непосредственно определяя трещинообразование, эти характеристики оказывают также весьма существенное влияние на скорость распространения дислокаций, замедляя или задерживая, либо, напротив, активизируя их развитие. Роль данной группы факторов в формировании водопроводящих трещин в пределах подработанной части массива заслуживает детального рассмотрения.

Главные компоненты угленосных толщ характеризуются различной чувствительностью к деформирующим воздействиям. Литологическая принадлежность является наиболее надёжной характеристикой трещиностойкости пород. Густота трещин сдвижения в слоях аргиллитов и алевролитов существенно выше, чем в песчаниках и известняках, однако, раскрытость намного ниже.

Влияние состава и структурных характеристик массива сказывается на дальности (высоте, протяжённости ответвлений) и скорости трансляции водопроводящих трещин.

Относительно большая хрупкость обломочных пород по сравнению с глинистыми благоприятствует прямой зависимости высоты распространения водопроводящих трещин от содержания песчаников. Вместе с тем, они имеют максимальную склонность к разрыхлению и зависанию, что способствует усилению затухания деформаций в разрезе массивов песчаного состава. В этой связи можно ожидать, что наименее благоприятной для распространения трещин будет та среда, где преобладают песчаники и конгломераты, а глинистые породы имеют подчинённое значение и относительно равномерно распределяются в разрезе. В таких условиях наилучшим образом сочетаются повышенная способность обломочных пород к разрыхлению и относительно высокая трещиностойкость слоёв аргиллитов и алевролитов, один из которых становится границей ЗВТС. Возможно, что наиболее благоприятной средой для распространения водопроводящих трещин являются толщи пород глинистого состава.

Развитию ЗВТС в подработанной толще может воспрепятствовать её зависание. Наиболее устойчивые слои-мосты сдерживают оседание массива и становятся преградой распространению водопроводящих трещин.

В то же время при оседании мостов, которое происходит обычно весьма бурно, наблюдаются ускоренное сдвижение налегающей толщи пород и распространение трещин непосредственно над мостом.

Интенсивно разрушаясь и разделяясь при этом на весьма крупные блоки, мосты обеспечивают интенсивное подбучивание массива, значительное снижение оседания и деформаций других его частей. Этот эффект иллюстрирует рисунок 5.14, где изображены литологические колонки подработанных толщ на ряде угольных шахт Карагандинского (по материалам [38]) и Донецкого бассейна. Сопоставление результатов расчета (согласно [6,130]) и определения высоты ЗВТС геомеханическим способом [75,76] показывает резкое, до двукратного, ослабление развития трещин по отношению к ожидаемой величине и тяготение границы их распространения в

рассматриваемых случаях к кровле моста.

1- песчаники, 2 - аргиллиты и алевролиты, 3 - угольный пласт и выработанное пространство, 4 - покровные отложения, 5 - склонные к зависанию слои песчаников, 6 - вынутая мощность, м, 7 - максимальное оседание слоя, м

Рисунок 5.14 - Граница распространения водопроводящих трещин над выработанным пространством: расчетная Нр (по [6,130]) и определенная натурным путем Нн ([75,76]) в породных толщах песчано-глинистого состава со склонными к зависанию слоями песчаников [83]

Влияние рассматриваемого элемента структуры массива на высоту распространения водопроводящих трещин приобретает противоположную направленность в случае «выхода» его в кровлю очистных выработок либо расположения в непосредственной близости от разрабатываемого пласта. Роль этой структурной особенности покажем на примере подработок затопленных выработок на шахтоуправлении «Кольчугинское» в Кузбассе [73,172].

Здесь группой лав по пласту Поджуринскому-5 осуществлена выемка угля под затопленным пространством на пласте Поджуринском-1. Подработки прошли в различных гидрогеологических условиях и зависели от геомеханического поведения кровли выработки. Поступление воды из указанного водного объекта наблюдалось на участках, где при мощности слоя алевролитов непосредственной кровли до 4м происходили интенсивные осадки недостаточно подбучиваемого труднообрушающегося слоя песчаников основной кровли в виде крупных блоков.

На участках с мощностью алевролитов свыше 4-5 м оседание песчаников имело спокойный характер. Здесь обводнение выработок было связано только с поступлением подземных вод. Параметры всех подработок тождественны либо весьма близки. Их сравнение свидетельствует о решающем влиянии на распространение водопроводящих трещин и исход подработки различий в структуре и поведении основания подработанной толщи [73,172] (случай 15).

Эти материалы позволяют сделать вывод, что в условиях быстрой осадки труднообрушающихся слоев высота зоны существенно возрастает за счет перемещения границы образования ЗВТС на мощность этих слоев [73,172].

Данный эффект оказался настолько существенным, что перекрыл влияние техногенной нарушенности междупластья от предшествующих разработок по пласту Поджуринскому-4 и крупного взброса на участках, где поступления воды из водного объекта не происходило.

Зависание в то же время способствует формированию водопроводящих трещин в почве выработанного пространства.

Следовательно, выражение зависимости высоты зоны как функции содержания тех или иных пород является недостаточным, поскольку ее размеры определяются также расположением слоев относительно разрабатываемого пласта и их свойствами,

а не средним составом толщи, с которым эта зависимость проявляется лишь в виде тенденции.

Скорость распространения водопроводящих трещин минимальна в толщах песчаного состава, более высока в массивах смешанного состава и среди них максимальна в условиях тонкого переслаивания глинистых и других пород.

Важное влияние на развитие дислокаций имеют структурные показатели.