книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности под влиянием подземной разработки

ным вопросам добавляются специфические, усиливающие по сравнению с шахтной разработкой значение фактора сдвиже­ ния подработанной толщи пород. Наиболее полно изучено влияние сдвижения горных пород на процесс подземной гази­ фикации углей.

В промышленно развитых странах считают, что с точки зре­ ния энергетического ресурса XXI век будет веком угля, а для раз­ работки угольных пластов с глубины более 1000 м единственным экономически эффективным методом является подземная гази­ фикация углей.

Подземная газификация углей —сложный физико-химиче­ ский процесс превращения полезного ископаемого на месте залегания в горючие газы с помощью свободного или связанно­ го кислорода.

Основными стадиями процесса подземной газификации являются:

•бурение с земной поверхности на угольный пласт верти­ кальных, наклонных и наклонно направленных скважин для подвода агента и отвода газа;

•создание гидравлической связи между скважинами по угольному пласту;

•розжиг угольного пласта и ведение процесса газификации нагнетанием рабочего агента в одни скважины и отводом газа по другим скважинам.

Подземный газогенератор является главным сооружением предприятия «Подземгаз» и представляет собой совокупность устройств, обеспечивающих выгазовывание определённого участка угольного пласта. Он состоит из наземной и подземной частей. Наземная часть включает в себя трубопроводы для пода­ чи дутья (воздуха, паро-кислородной смеси и др.) и отвода газа. Верхняя часть кондуктора скважин оборудована приборами кон­ троля и устройствами для управления процессом ПГУ. Подзем­ ная часть газогенератора состоит из скважин, соединённых по угольному пласту между собой или с очагом горения каналами (рис. 3.1.). Для создания первоначальных каналов газификации и

П р я д

Рис. 3.1. Схема выгазовывания угольного пласта с применением верти­ кальных скважин

соединения скважин с ними наиболее часто применяют фильт­ рационную сбойку, гидравлический разрыв пласта и бурение горизонтальных каналов по угольному пласту.

Влияние сдвижения горных пород отмечается на всех ста­ диях процесса газификации. Как показал опыт промышленной эксплуатации подземных газогенераторов в условиях Подмо­ сковного буроугольного бассейна (Подмосковная и Ш атская станции «Подземгаз») и Средней Азии (Ангренская станция «Подземгаз») при вскрытии угольного пласта и создании перво­ начальных каналов газификации бурение вертикальных сква­ жин осуществляется в неподработанном породном массиве. С расширением каналов газификации происходит обрушение пород непосредственной кровли угольного пласта и сдвижение вышележащей толщи пород. В этих условиях вертикальные сква­ жины для развития работ по выгазовыванию угольного пласта приходится бурить по подработанной породной толще с больши­ ми затратами.

Беспорядочное обрушение пород над выгазованным про­ странством приводит к сокращению реакционной поверхности угольного пласта, увеличению потерь дутья, газа и тепловых

потерь в обрушенных породах, к возникновению периферийных дутьевых и газовых потоков в подземном газогенераторе, сни­ жающих эффективность технологического процесса. Наличие водопроводящих трещин может вызвать интенсивный приток воды из вышележащих водоносных горизонтов в канал газифи­ кации и нарушить процесс газообразования.

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

При достижении выгазованного пространства определён­ ных размеров вслед за породами непосредственной кровли угольного пласта в процесс сдвижения вовлекаются слои выше­ лежащих пород, в результате чего обсадные колонны скважин, расположенных в области сдвижения горных пород, испытыва­ ют неравномерные по длине нагрузки и могут быть деформиро­ ваны. Величина и характер этих нагрузок определяются отраба­ тываемой мощностью пласта, прочностными характеристиками пород кровли и расположением скважин относительно границ выгазованного пространства.

Сдвижение горных пород при газификации угольного пла­ ста мощностью 2—4 м на глубине 40—50 м в редких случаях вызы­ вает обрывы обсадных колонн впереди движущегося огневого забоя. С увеличением глубины залегания и мощности выгазовываемого угольного пласта срок службы вертикальных эксплуата­ ционных скважин, а следовательно стабильность процесса гази­ фикации, состава газа и полнота извлечения запасов угля опре­ деляются особенностями сдвижения подработанных слоев пород. Исследованиями, выполненными в условиях подземной

газификации мощного (до 20 м) пологого угольного пласта Ангренского месторождения на глубине 100-200 м, установлено, что значительная часть вертикальных скважин преждевременно выходит из строя, не отработав подготовленных ими запасов угля, под воздействием сдвижения горных пород.

Прогнозирование возможных деформаций эксплуатацион­ ных скважин связано не только с необходимостью управления процессом выгазовывания угольного пласта и стабильного полу­ чения кондиционного газа, но и с предотвращением возможного загрязнения продуктами газификации надугольных водоносных горизонтов через нарушенные обсадные колонны газоотводя­ щих скважин.

В условиях газификации крутых пластов Кузбасса (Южно-Абинская станция «Подземгаз») особенностью сдвиже­ ния горных пород является образование провалов на земной поверхности, которые возникают при выгазовывании угольного пласта по восстанию и подходе огневого забоя к земной поверх­ ности. Образование провалов, как правило, сопровождается нарушением технологических режимов газификации, увеличе­ нием утечек дутьевого реагента и газа, частичной разгерметиза­ цией подземного газогенератора. Сдвижение и деформации гор­ ных пород при газификации свиты угольных пластов определя­ ют последовательность отработки пластов.

Подземная добыча солей растворением осуществляется путём закачки воды через скважины в пласты соли и последую­ щим отсасыванием рассола. При этом образуются пустоты неправильной формы, которые вызывают обрушение пород и сдвижение земной поверхности. Обрушившиеся породы нару­ шают процесс растворения соли, изменяя миграцию воды и рас­ сола.

При подземной выплавке серы теплоноситель (вода с тем ­ пературой около 160°) нагнетается в серосодержащий пласт под давлением. В результате фильтрации его по пласту проис­ ходят разогрев и плавление серы. Расплавленная сера подни­ мается на земную поверхность по скважинам с помощью сжа­

того воздуха. По сравнению с подземной газификацией углей и подземным растворением солей сдвижение горных пород ока­ зывает меньшее влияние на процесс подземной выплавки серы, так как в отработанном пространстве остается пористый известняк. В этом случае процесс сдвижения носит весьма спе­ цифичный характер за счет опускания и поднятия отдельных слоёв горных пород и участков земной поверхности. Такое поведение горных пород может вызвать значительные дефор­ мации в подработанном породном массиве и нарушение эксплуатационных скважин.

Всё изложенное свидетельствует о значительном влиянии сдвижения горных пород на процессы добычи полезных ископа­ емых скважинными методами. Технологические параметры и специфика процесса добычи определяют формы выработанного пространства и характер сдвижения вышележащей толщи пород, которые, в свою очередь, оказывают непосредственное влияние на стабильность ведения технологического процесса и его техни­ ко-экономические показатели. При определенных размерах выработанного пространства процесс сдвижения горных пород достигает земной поверхности, вызывая деформации трубопро­ водов и других наземных сооружений. Поэтому изучение осо­ бенностей сдвижения горных пород и земной поверхности при методах физико-химической добычи полезных ископаемых является важным и необходимым условием для совершенствова­ ния этих методов и широкого их промышленного освоения.

3.2.2 Цели, задачи и методы изучения геомеханических процессов

Изучение геомеханических процессов в массиве горных пород и сдвижения земной поверхности при скважинной разра­ ботке месторождений полезных ископаемых проводится с целью определения степени влияния этих процессов на технологию добычи и повышения ее эффективности, а также для охраны сооружений, земной поверхности и обеспечения минимального воздействия на окружающую среду.

При подземной газификации пологих и крутых угольных пластов решают следующие основные задачи:

•установление основных параметров и закономерностей сдвижения горных пород и земной поверхности и сравнение их с шахтными;

•выявление механизма сдвижения породного массива при отработке угольного пласта;

•разработка маркшейдерских методов контроля за характе­ ром и степенью выгазовывания угольного пласта;

•установление влияния сдвижения горных пород и земной поверхности на устойчивость обсадных колонн эксплуатацион­ ных скважин и наземных объектов;

•выявление механизма образования провалов на земной поверхности и определение размеров угольных целиков, предох­ раняющих от них.

Решение поставленных задач осуществляется на основе комплексного метода, который включает в себя натурные наблюдения за сдвижением горных пород и земной поверхности, лабораторное моделирование процесса сдвижения подработан­ ного породного массива и аналитические исследования.

Изучение в натурных условиях предусматривает проведение систематических наблюдений за сдвижением грунтовых и глу­ бинных реперов, обследование обсадных колонн нарушенных скважин, вскрьггие отработанных подземных газогенераторов скважинами и горными выработками, наблюдения за образова­ нием провалов на земной поверхности над участками газифика­ ции и сбор данных об условиях образования провалов на шахтах.

В отличие от наблюдательных станций над шахтными выра­ ботками, которые закладываются, как правило, в виде профиль­ ных линий на земной поверхности, грунтовые реперы над участ­ ками газификации располагаются в вершинах сетки квадратов (прямоугольников), занимающих всю предполагаемую площадь сдвижения. Площадная конструкция наблюдательной станции обусловлена необходимостью контроля выгазовывания угольно­ го пласта по площади и мощности, так как при газификации угля

контуры выработанного пространства имеют геометрически неправильную форму как в плане, так и по высоте.

По данным систематических наблюдений за сдвижением грунтовых реперов строятся графики оседаний, горизонтальных сдвижений и деформаций, а также планы оседаний, скоростей оседаний и кривизны мульды сдвижения земной поверхности. Они являются исходными для построения контуров выгазовывания и определения степени отработки угольного пласта по пло­ щади и мощности.

С помощью глубинных реперов ведутся наблюдения за про­ цессом распространения сдвижения горных пород по глубине, устанавливают коэффициенты разрыхления подработанной породной толщи.

Обследование обсадных колонн нарушенных скважин про­ изводится с помощью ориентированного спуска свинцовой «печати». При этом определяются расстояние от земной поверх­ ности до места нарушения, вид деформации, величина и напра­ вление смещения обсадной колонны.

Вскрытие отработанных газогенераторов (участков газифи­ кации) путем бурения скважин с отбором керна позволяет по изменению циркуляции (интенсивности и характеру поглоще­ ния) промывочной жидкости в процессе бурения, по наличию пустот (провалов бурового инструмента) и нарушенное™ пород в керне судить о степени и характере деформаций массива и выделить в нем характерные зоны.

Вскрытие подземных газогенераторов горными выработка­ ми после окончания процесса газификации является очень тру­ доёмким, дорогостоящим, но наиболее достоверным методом определения характера и степени выгазовывания угольного пла­ ста по площади и мощности, формы выгазованного простран­ ства, зон прогретых пород и угля, степени деформации подрабо­ танной толщи пород с выделением отдельных зон, формы и пло­ щади сечения каналов газификации, распределения золы и шла­ ков в подземном газогенераторе и других параметров. Этот метод позволяет непосредственно сопоставить взаимное влияние тех­

нологических приемов газификации и геомеханических процес­ сов, происходящих в горном массиве.

Моделирование процесса сдвижения горных пород при подземной газификации угольных пластов проводилось в лабо­ раторных условиях методом эквивалентных материалов на пло­ ском и объёмном стендах. На плоском стенде изучалось влияние оставшихся в подземном газогенераторе целиков угля на харак­ тер сдвижения толщи пород и земной поверхности, угла паде­ ния угольного пласта на шаг обрушения пород кровли. На объё­ мном стенде исследовалось влияние мощности пласта, размеров выработанного пространства, состава толщи пород и характера ее сдвижения при выемке крутых пластов по восстанию на раз­ меры целиков угля, при которых образуются провалы земной поверхности.

В моделях воспроизводились главные факторы, от которых зависят геомеханические процессы, происходящие в подрабо­ танном породном массиве: слоистое строение толщи пород, раз­ меры выработанного пространства, направление ведения работ и другие параметры. Подбор эквивалентных материалов произ­ водился по прочностным характеристикам. При моделировании слабых, сыпучих пород в качестве определяющих характеристик прочности принимается сцепление и угол внутреннего трения. Моделирование на эквивалентных материалах позволяет устано­ вить влияние отдельных горно-геологических, горнотехниче­ ских факторов на особенности сдвижения и деформации слои­ стого породного массива.

Аналитические методы использовались при анализе зако­ номерностей и методов расчета сдвижений горных пород и земной поверхности при шахтной добыче угля, а также при оценке устойчивости обсадных колонн эксплуатационных скважин.

Перечисленные задачи и методы исследований специфичны не только для подземной газификации углей, многие из них при­ менимы и при других скважинных методах разработки полезных ископаемых.

3.3 Особенности процесса сдвижения земной поверхности при подземной газификации пологих угольных пластов

3.3.1 Общие закономерности процесса сдвижения земной поверхности при шахтной разработке и подземной газификации угольных пластов

Практика разработки угольных месторождений методом подземной газификации выдвинула перед маркшейдерской нау­ кой принципиально новую задачу, по своей постановке обрат­ ную той, которая решается в условиях шахтной разработки. Зная границы мульды сдвижения земной поверхности, местоположе­ ние характерных точек кривой оседания, распределение сдвиже­ ний по площади мульды, а также некоторые горно-геологиче­ ские характеристики (угол падения пласта, глубину его залега­ ния, состав покрывающих пород и др.), можно определить в любой момент с достаточной для практики точностью положе­ ние контура выгазованного пространства, участки наиболее интенсивного выгазовывания угольного пласта и степень его извлечения по мощности.

Эффективное решение задачи в такой постановке возможно лишь в случае достаточно детальной изученности основных характеристик и параметров сдвижения горных пород и земной поверхности в их взаимосвязи с другими горно-геологическими и горнотехническими факторами.

Метод определения положения границ выработанного пространства и полноты извлечения угля, основанный на зако­ номерностях процесса сдвижения земной поверхности, был предложен С. Г. Авершиным и уточнён для условий Подмо­ сковного бассейна И. А. Турчаниновым. Выполненные методи­ ческие разработки получили практическое подтверждение при подземной газификации угольных пластов мощностью 2,5-3 м на глубинах 40—60 м при слабых породах покрывающей толщи. Развитие промышленных работ по газификации мощного (до 20 м) пласта Ангренского буроугольного месторождения с глу­ биной залегания до 220 м потребовало проведения дополни­

тельных исследований по сдвижению горных пород и земной поверхности, направленных на установление возможности применения установленных закономерностей и разработку новых приёмов, позволяющих осуществлять маркшейдерский контроль за полнотой извлечения полезного ископаемого в более сложных условиях.

Исследования процесса сдвижения предусматривали уста­ новление общих закономерностей и различий в поведении зем­ ной поверхности над шахтными выработками и участками гази­ фикации (подземными газогенераторами), расположенными по соседству с шахтой. В задачи исследований входило: определе­ ние значений основных параметров сдвижения (углов сдвиже­ ния, максимальных оседаний и горизонтальных сдвижений, деформаций и др.), выявление местоположения характерных точек кривой оседания относительно границ выработок и уста­ новление возможности применения закономерностей процесса сдвижения земной поверхности для маркшейдерского контроля за полнотой отработки мощного угольного пласта при подзем­ ной газификации на глубинах до 220 м.

К участкам наблюдений предъявлялись определенные тре­ бования. Во-первых, лавы и газогенераторы должны находится в близких горно-геологических условиях и граничить с целиками угля, а не с выработанным пространством и, во-вторых, в лаве должна осуществляться выемка первого и второго слоев угольно­ го пласта. С учетом изложенных требований наблюдения были поставлены над двумя лавами шахты №9 ПО «Средазуголь» и пятью подземными газогенераторами Ангренской станции «Подземгаз».

На участках наблюдений юрские отложения представлены угленосной и каолиновой свитами (рис. 3.2.). Мощность угле­ носной свиты, состоящей из чередующихся слоёв глин и песча­ ников, в пределах участков газификации составляет в среднем 10 м, в районе шахтных выработок - 27 м. Каолиновая свита имеет везде почти одинаковую мощность (35 -3 7 м) и сложена каолиновыми глинами, запесоченными глинами и песчаниками.