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

Рис. 3.5. Определение контуров выгазованного пространства по изоли­ ниям кривизны мульды сдвижения земной поверхности:

0 _ эксплуатационные скважины

контрольные скважины на выгазованное пространство

границы выгазованного пространства

влением каналов газификации в процессе ведения технологиче­ ских работ. Эти сведения необходимы для совершенствования конструкций подземных газогенераторов, определения рацио­ нальных технологических режимов и обеспечения полноты извлечения угля.

Значительно сократить время и трудоемкость камеральных работ при оконтуривании участков с различной степенью выгазовывания угольного пласта позволяет автоматизированное получе­ ние графической информации путем использования вычислитель­ ной техники с развитыми средствами графического ввода и вывода.

Область применения изложенной методики определения контуров выработанного пространства и характера отработки угольного пласта не ограничивается подземной газификацией углей. Без существенных изменений она может быть использова­ на при других скважинных методах добычи полезных ископае­ мых, в условиях пологого залегания разрабатываемых пластов (залежей) с покрывающими породами, обеспечивающими рас­ пространение сдвижений до земной поверхности без зависаний подработанной породной толщи.

Анализом данных наблюдений за оседанием земной поверх­ ности над лавами установлено, что объём мульды сдвижения находится в пропорциональной зависимости от объёма извле­ чённого угля. Причем коэффициент kv, характеризующий эту пропорциональность, имеет различные значения для активной стадии процесса сдвижения и стадии затухания при первичной и повторной подработке толщи пород. В условиях шахтной разра­ ботки величина коэффициента для первичной подработки составила 0,65. Эта величина характеризует отношение объёма мульды сдвижений земной поверхности к объему выработанного пространства в процессе перемещения очистного забоя лавы со скоростью 1,5 —1,8 м/сут. После затухания процесса сдвижения среднее значение коэффициента оказалось равным 0,73. При повторной подработке и той же скорости перемещения очистно­ го забоя среднее значение коэффициента kv = 0,83. Различия в величинах коэффициента kv в процессе сдвижения и после его затухания при повторной подработке весьма незначительны (0,01-0,02). Стабилизация приведенных значений коэффициен­ та kv наступала при ширине выработанного пространства D> (0,7—0,8) (DQ—пролет, обеспечивающий полную подработку земной поверхности).

В условиях подземной газификации объем мульды сдвиже­ ний определяли поданным маркшейдерских наблюдений, коли­ чество выгазованного угля — по объему полученного газа и содержанию углерода в нем. Объем зольного остатка V3, по дан­ ным бурения скважин с отбором керна из выгазованного про­

странства, составляет в среднем 13 % от сгазифицированного угля. Зольный остаток при подземной газификации, также как и оставшийся крепежный лес в лаве, учитывался при определении объёмов выработанного пространства.

Необходимо отметить, что среднее значение коэффициен­ та для участков газификации, где выгазовывание угля осущест­ влялось сплошным широким фронтом, близко к условиям шах­ тной выемки при первичной подработке земной поверхности кту= 0,64. На участках с преобладанием отдельных каналов гази­ фикации значение коэффициента не превышало 0,45. Расхож­ дение в значениях коэффициента kTvвызвано в основном разли­ чием в конфигурации выгазованного пространства. Известно, что устойчивость кровли угольного пласта зависит от формы и размеров обнажений. После того как будут достигнуты пре­ дельные размеры выработки, происходит обрушение пород непосредственной кровли и развитие сдвижений в вышележа­ щей толще.

При шахтной выемке угля образуется сплошное выработан­ ное пространство, которое заполняется обрушенными порода­ ми и вызывает формирование или изменение мульды сдвиже­ ния земной поверхности. В условиях подземной газификации кроме основной площади сплошного выгазовывания образуют­ ся узкие каналы, в пределах которых один из размеров меньше предельного устойчивого пролета. Выгазовывание угля на таких участках не проявляется на земной поверхности или проявляет­ ся незначительно. Количество выгазованого угля в узких кана­ лах может быть определено только путем пересчета полученно­ го газа; маркшейдерский метод в этом случае дает заниженные результаты.

Итак, зная объем мульды сдвижения земной поверхности Ум* объем выгазованного угля Vy (по технологическим данным), объем зольного остатка и шлаков V3 (для ангренских углей и некоторых месторождений Подмосковного бассейна У3 = 13 % от сгазифицированного угля) и значение коэффициента kv при шахтной разработке, можно установить, насколько обеспечива­

3.3.4 Влияние сдвижения горных пород на деформации обсадных колонн эксплуатационных скважин

В процессе подземной газификации угольных пластов, как и при других подземных способах выемки с обрушением кровли, происходит перераспределение напряжений в окружающих выгазованное пространство породах. При шахтной выемке это перераспределение напряжения учитывается в связи с необходи­ мостью поддержания призабойного пространства в лавах в рабо­ чем состоянии, обеспечения сохранности наземных сооружений и горных выработок, расположенных в зоне влияния очистных работ.

Не менее важное значение это имеет при подземной газифи­ кации, так как основной элемент подземного газогенератора — эксплуатационные скважины длительное время должны быть пригодны для эксплуатации. Оценка влияния проявления гор­ ного давления на обсадные колонны скважин приобретает прак­ тическое значение при разработке конструкций подземных газо­ генераторов и оказывает большое влияние на эффективность и экономичность работ по ПГУ.

Длительный опыт эксплуатации скважин при подземной газификации углей показывает, что на глубинах до 350 м в раз­ личных горно-геологических условиях обсадные колонны, не испытывающие влияния подработки, не нарушаются. При выемке угля на значительной площади нарушается равновесие пород, начинается их перемещение в выгазованное простран­ ство, в результате чего обсадные колонны скважин испытывают неравномерные по длине нагрузки. Величина и характер этих нагрузок определяются вынимаемой мощностью пласта, проч­ ностными характеристиками пород кровли и расположением скважин относительно выгазованного пространства.

При неглубоком залегании угольного пласта (около 30— 50 м) и относительно небольшой его мощности (2—3 м) в усло­ виях Подмосковного бассейна сдвижение горных пород не ока­ зывало существенного влияния на устойчивость скважин. С уве­ личением глубины залегания и мощности отработанного пласта

сохранность обсадных колонн скважин в значительной мере зависит от особенностей сдвижения подработанного породного массива. Установлено, что при подземной газификации угольно­ го пласта в условиях Ангренского месторождения значительное число скважин выходит из строя в начальной стадии эксплуата­ ции (или до ввода их в эксплуатацию) из-за нарушения обсадных колонн под воздействием сдвижения горных пород.

Определение положения внешнего контура выгазованного пространства в плане по данным наблюдений за оседанием зем­ ной поверхности позволило более детально рассмотреть причи­ ны преждевременного выхода из строя скважин. При анализе использовались результаты обследования нарушенных сква­ жин и данные маркшейдерских наблюдений на участках гази­ фикации.

С целью выявления закономерностей нарушения скважин в качестве исходных были взяты данные, характеризующие поло­ жение места обрыва обсадной колонны относительно границы выгазованного пространства в плане d и относительно кровли угольного пласта по высоте Н . Было установлено, что наиболее часто (75 %) нарушение скважин происходило на расстоянии 50-90 м от кровли угольного пласта и в 20—35 м впереди движу­ щегося огневого забоя. Вторая группа скважин (25 %) претерпе­ вала деформации в интервале 10—47 м от кровли угольного пла­ ста и в 8—20 м от контура выгазовывания.

Обследование обсадных колонн нарушенных скважин ори­ ентированным спуском «печати» показало, что смещение верх­ ней части колонн скважин первой группы происходило навстре­ чу движущемуся забою. Все скважины этой группы были были нарушены на контакте относительно крепких и слабых пород. Большинство обсадных колонн деформировалось в слабых песчаниках под мощным слоем известняка и часть скважин была нарушена на контакте алевролита с песчаником. В первом случае мощность песчаника под известняками составляла 5 м и более, во втором случае —не превышала 3 м. Таким образом, известняк, разделённый с алевролитом сравнительно мощным слоем песча­

ника, в процессе сдвижения перемещается отдельно от алевро­ лита и деформация скважин происходит на контакте между ними. Если же мощность песчаника не превышает 3 м, то извест­ няк с алевролитом смещаются как одна пачка пород и макси­ мальные деформации обсадных колонн имеют место на контак­ те алевролита с нижележащим слоем песчаника.

Нарушение скважин на расстоянии 20—35 м впереди движу­ щегося забоя объясняется следующим. Как показали результаты натурных наблюдений и моделирования, в этом интервале фор­ мируется зона максимальных горизонтальных деформаций зем­ ной поверхности. С определенной степенью приближения эти данные могут быть приняты для слоя известняка, расположен­ ного вблизи земной поверхности. Согласно механизму поведе­ ния пород максимальные вертикальные перемещения породный массив претерпевает над центром выработанного пространства; горизонтальные сдвижения сосредоточены в верхней части толщи пород, примыкающей к выработанному пространству в плане. По мере удаления в глубь массива горизонтальные сдви­ жения затухают. С учетом изложенного становится очевидным, что рассматриваемая группа скважин была выведена из строя в результате горизонтальных сдвижений горных пород.

С применением методов математической статистики найде­ но уравнение связи между d и Я, позволяющее определять зону наиболее опасных деформаций породной толщи впереди движу­ щегося забоя:

Практическое применение формулы (3.5) сводится к сле­ дующему. Зная местоположение отдельных слоев крепких пород относительно кровли угольного пласта, т.е. значение признака Н, можно определить горизонтальное расстояние впереди дви­ жущегося сплошного забоя d, на котором следует ожидать деформации обсадных колонн скважин.

Скважины второй группы, получившие деформации обсад­ ных колонн на расстоянии 8 - 2 0 м от границы сплошного фрон­ та выгазовывания, в отличие от скважин первой группы находи­

лись на участках газификации угольного пласта локальными узкими каналами. При отработке угольного пласта над каждым каналом образуется зона беспорядочного обрушения, выше которой породы смещаются по нормали и вызывают деформа­ ции обсадных колонн.

3.4 Геомеханические процессы при подземной газификации крутых угольных пластов

При подземной газификации пологих угольных пластов образования провалов земной поверхности не наблюдалось. В условиях неглубокого (30-40 м) залегания пласта в Подмо­ сковном угольном бассейне на отдельных газогенераторах имел место выход зоны обрушения на земную поверхность в виде воронок. С увеличением глубины залегания газифицируемого пласта мощностью 5—10 м (Ангренское месторождение) до 100—160 м на земной поверхности образовывались трещины в краевых частях мульды сдвижения с незначительными ( 1 0 — 20 см) уступами. Образование провалов земной поверхности наиболее часто отмечалось при подземной газификации крутых каменноугольных пластов Кузбасса.

Провалы земной поверхности приводят к большим утечкам дутья и газа и к нарушению технологии производства работ, поэ­ тому выявление условий их образования является важной зада­ чей, от решения которой зависит эффективность работы пред­ приятия «Подземгаз». Комплексные исследования (В. Н. Казак, В. К. Капралов) условий образования провалов земной поверх­ ности при подземной газификации угольных пластов были про­ ведены в Прокопьевско-Киселевском районе Кузбасса, включа­ ющие анализ результатов изучения условий образования прова­ лов при шахтной добыче угля, моделирование на эквивалентных материалах и натурные исследования в условиях Южно-Абин- ской станции «Подземгаз» (г. Киселевск, Кемеровской обл.).

Результаты наблюдений за образованием провалов на участке газификации угля, где проводились инструментальные измерения сдвижения земной поверхности и толщи пород (глу­ бинные реперы), а также данные вскрытия подземными выра­

ботками отработанного газогенератора были использованы для установления связи между деформациями пород над выгазованным пространством и земной поверхности. Для определе­ ния характера, степени деформации породного массива при различной мощности пласта и размерах целиков угля, при которых образовывались провалы, производилось бурение контрольных скважин на выгазованное пространство отрабо­ танных газогенераторов.

Исследования на объемных и плоских моделях из эквива­ лентных материалов были направлены на изучение влияния отдельных факторов, учет которых весьма затруднён в природ­ ных условиях, на образование провалов.

3.4.1 Влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на образование провалов земной поверхности

Анализ данных о размерах провалов, месте и времени их образования при шахтной отработке угольных пластов различ­ ными системами позволил выявить основные влияющие гор­ но-геологические и горнотехнические факторы.

На форму, размеры, место и время образования провалов влияют: мощность угольного пласта и глубина разработки, угол падения пласта, физико-механические пород и состав породной толщи, система разработки, расстояние между пластами, размер оставляемых целиков.

Угол падения угольных пластов оказывает существенное влияние на расположение зоны провалов. При отработке верхних горизонтов зона провалов со стороны лежачего бока пласта при углах падения до 75° ограничивается линией, проведенной от выхода под наносы почвы пласта под углом 75°, а со стороны вися­ чего бока —вертикальной линией, проведенной через нижнюю границу очистной выработки. Ширина зоны провалов вкрест про­ стирания пласта с углом падения более 75° равна приблизительно пятикратной его мощности. Граница зоны провалов по простира­ нию пласта не зависит от угла падения пласта и определяется отвесной линией, проведенной от границы очистной выработки до наносов, а в наносах —линией под углом 45° к горизонту.

Образование провалов связано с возможностью скатывания обрушенных пород по падению пласта, в результате чего в верх­ ней части выработки создается свободное пространство. Скаты­ вание обрушенных пород по падению пласта возможно при усло­ вии tg а > / (а - угол падения пласта, f —коэффициент трения при движении обрушенных пород по почве пласта). В условиях Кузбасса скатывание обрушенных пород наблюдается при а = 31—35°, еслиf = 0,7 —0,8.

Осадочные породы, слагающие угленосные толщи, состоят из перемежающихся пластов песчаников, алевролитов и аргил­ литов, которые имеют чётко выраженную слоистую текстуру. От мощности слоёв, на которые расслаивается толща пород, в зна­ чительной мере зависят устойчивость обнажений, характер сдви­ жений и размеры зоны обрушения пород. При наличии слабых пород в кровле угольного пласта, попадающих в зону обруше­ ния, выход провала на поверхность совпадает с выходом слабых пород под наносы. Если кровля пласта представлена крепкими породами, то провал будет иметь выход на поверхность по пласту угля, как по более слабому слою, или по его почве, в случае зале­ гания там слабых пород и угла падения пласта более 83°.

В породах кровли средней устойчивости и наличии в непо­ средственной кровле прослоев слабых пород мощностью менее 1 м смещения провалов в сторону висячего бока угольного пла­ ста не наблюдалось. При неустойчивых породах кровли и нали­ чии в непосредственной кровле прослоев слабых пород мощно­ стью более 1 м провалы смещаются значительно. Установлено, что определяющими условиями образования провалов при отра­ ботке крутых угольных пластов являются высота зоны обруше­ ния пород и размеры целика угля и пород, попадающих в преде­ лы зоны обрушения.

3.4.2 Механизм образования провалов и расчет предохранительных целиков

Особенностями деформации толщи пород при отработке крутых пластов тонких (0,5 - 1,3 м) и средней (1,3 —3.5 м) мощ ­ ности являются: развитие сдвижений слоёв кровли по нормали к