книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках

стиной на конце. Ориентирование «печати» в горизонтальной плос­ кости производится с помощью теодолита.

Метка ориентируется на окружности цилиндра, затем последо­ вательно проектируется на верхнюю соединительную муфту каж­ дой буровой трубы в процессе спуска «печати». При наращива­ нии инструмента осуществляется контроль за вертикальным опус­ канием метки из верхнего положения к устью скважины.

При остановке инструмента на горизонте нарушения скважи­ ны производится отпечаток на свинцовой пластинке. Глубина на­ рушения обсадной колонны фиксируется с точностью до 10 см. Полученный отпечаток позволяет судить о характере деформации, ее величине и направлении смещения отдельных частей обсадной колонны.

Описанные выше методы исследований позволяют получить представления о динамике сдвижения и деформирования толщи горных пород в процессе подработки. Полученные данные можно увязать с параметрами отработки угольного пласта в лаве: с по­ ложением забоя, контурами выработанного, пространства, выни­ маемой мощностью пласта и др.

В условиях подземной газификации это сделать невозможно без применения специальных методов, позволяющих изучить струк­ туру выгазованного пространства и установить его форму и разме­ ры. Для решения этих вопросов, а также с целью выявления раз­ личных зон деформаций толщи пород и изучения структуры выга­ зованного пространства было произведено бурение контрольных скважин с отбором керна на одном из отработанных участков га­ зификации.

Зоны деформаций породного массива устанавливались по из­ менению циркуляции, интенсивности и характеру поглощения про­ мывочной жидкости в процессе бурения, а также по наличию пус­ тот (обнаруживаются провалами бурового инструмента) и нарушенности пород в отобранном из скважин керне.

Характер выгазовывания угольного пласта по мощности и пло­ щади, степень заполнения и структура выгазованного пространст­ ва определялись на основе изучения керна, извлеченного из под­ земного газогенератора.

Одним из наиболее простых и эффективных методов изучения характера сдвижения толщи пород при подземных разработках в лабораторных условиях является моделирование с помощью эк­ вивалентных материалов. Моделирование производилось на плос­ ком стенде длиной 4,5 м и шириной 20 см.

В процессе исследований устанавливался характер деформа­ ции толщи пород при системах разработки, имеющих место на шахте и станции «Подземгаз». Имитировались сплошная выемка угольного пласта и система газификации каналами с оставлением целиков между ними. В последнем случае отработка угля велась слоями снизу вверх одновременно во всех каналах. Задавшись размерами каналов и целиков, производили выемку угольного пла­

ста на полную мощность, а затем небольшими за ходка ми расши­ ряли каналы, уменьшая целик между ними.

Наблюдения за деформациями толщи пород по мере отработ­ ки угольного пласта велись методом фотофиксации [14]. Всего было отработано 24 модели.

В результате экспериментов на моделях было установлено, что при сплошной выемке угольного пласта (первичная подработка) распределение составляющих вектора сдвижения носит законо­ мерный характер: максимальные вертикальные смещения распо­ ложены над выработанным пространством и уменьшаются в на­ правлении к целику, горизонтальные сдвижения имеют минималь­ ные значения над центральной частью выработки и максимальные значения — в верхней части толщи над границей между вырабо­ танным пространством и целиком.

Анализ данных моделирования позволил сделать вывод, что в первую очередь приходят в движение породы над центром вырабо­ танного пространства. Затем происходит перемещение пород, рас­ положенных над периферийными участками в направлении смес­ тившейся части массива. Наиболее сложную траекторию сдвиже­ ния имеют точки верхней части толщи пород, где концентрируют­ ся максимальные горизонтальные сдвижения.

Деформации пород непосредственной кровли в процессе выем­ ки угольного пласта характеризуются следующим. В первоначаль­ ный момент после отхода забоя от разрезной печи над выработ­ кой образуется зона беспорядочного обрушения пород. Высота зоны обрушения изменяется в зависимости от вынимаемой мощ­ ности слоя. При слое 2 м она не превышает полутора-двухкратную мощность его. Дальнейшее подвигание забоя не вызывает увели­ чения высоты зоны обрушения и кровля деформируется в виде прогиба пород с разрывом и без разрыва сплошности.

Горизонтальные сдвижения вызывают появление трещин в тол­ ще пород и на земной поверхности как у неподвижной границы, так и впереди движущегося забоя. Район горизонтальных смеще­ ний со стороны неподвижной границы стабилизируется. Впереди движущегося забоя происходит перемещение зоны максимальных горизонтальных сдвижений, что обуславливает появление новых трещин.

Величина горизонтальной составляющей вектора сдвижения у неподвижной границы несколько больше, чем у перемещающегося забоя.

Максимальные величины оседаний над выработанным прост­ ранством при повторной подработке в 1,5 раза, а горизонтальные подвижки в 2 раза больше, чем при первичной. Это свидетельст­ вует о значительной уплотняемости пород при сдвижении подра­ ботанного ранее массива.

Сравнивая между собой данные о поведении толщи пород при первичной и повторной подработке, необходимо отметить, что ха­ рактер сдвижения пород в обоих случаях различен. Если в усло­ виях первичной подработки в результате образования трещин про­

Сдвижение глубинных реперов началось на расстоянии 15 м впереди очистного забоя, в то время как оседание земной поверх­ ности было зафиксировано в 20 м от движущегося забоя. При этом вначале оседание реперов происходило с меньшими скоро­ стями по сравнению с оседанием земной поверхности, затем на расстоянии 8,5—1,5 м от забоя скорости сравнялись.

Значительное опережение сдвижения пород относительно зем­ ной поверхности началось после прохождения забоя под репера­ ми и продолжалось над выработанным пространством в 4—25 м от линии забоя. На расстоянии 25—50 м позади забоя происходи­ ло затухание процесса сдвижения. Максимальные разности в ско­ ростях сдвижения глубинных реперов и земной поверхности изме­ нялись от 29 до 40 мм/сут.

Анализ величин оседания и скоростей оседания глубинных ре­ перов и земной поверхности показывает, что процесс сдвижения толщи пород происходит согласованно, без существенных зависа­ ний и расслоения отдельных слоев пород.

Особенности горизонтальных смещений отдельных слоев пород и земной поверхности по мере подвигания очистного забоя уста­ навливались на моделях. Вначале на расстоянии 10—5 м впереди забоя породы движутся в направлении перемещения забоя, затем после прохождения забоя над ними горизонтальные подвижки из­ меняют свое направление на обратное. Над выработанным прост­ ранством в интервале 16—80 м от забоя следует, повторное изме­ нение направления движения и в конечном итоге породы занимают близкое к первоначальному положение.

Горизонтальные сдвижения толщи пород возникают в верхней ее части и распространяются в рассматриваемых горно-геологиче­ ских условиях до глубины 60 м.

Наибольшие смещения претерпевают земная поверхность и прилегающие к ней известняки. Из остальных пород верхней части массива наиболее значительные подвижки испытывают алевроли­ ты. Величины горизонтальных сдвижений алевролитов в 2—2,5 ра­ за больше, чем вышележащих рыхлых слоев песка. Породы верх­ ней части толщи и земная поверхность имеют аналогичный харак­ тер горизонтальных сдвижений.

Полученные на моделях данные о формировании максималь­ ных сдвижений впереди движущегося забоя были подтверждены результатами обследования нарушенных обсадных колонн техно­ логических скважин на подземных газогенераторах.

Бурением контрольных скважин с отбором керна на выгазованное пространство были установлены в толще пород зоны с раз­ личной степенью деформации [12]. Так, зона беспорядочного об­ рушения пород распространялась на высоту (l,5-j-l,6)m, (m — мощность выгазованного пласта с учетом зольного остатка), а зо­ на деформаций пород, при которых происходит полное поглощение промывочной жидкости при бурении скважин, составила (5,5н- -т-6,6)т . Деформации пород с разрывом сплошности, при которых отмечалось временное полное поглощение промывочной жидкости.

были зафиксированы над выгазованным пространством на расстоя­ нии ( 14,44-15,0) т .

Приведенные данные дают представление о высоте развития зон деформации пород с разрывом сплошности над выгазованным пространством. Изучение структуры выгазованного пространства показало, что большая часть его заполнена породами непосредст­ венной кровли угольного пласта. Мощность золы и шлаков состав­ ляет в основном 10—16 % выгазованной мощности пласта.

Исследования показали, что сдвижение пород на моделях и в природных условиях имеет идентичный характер. Количествен­ ные характеристики процесса сдвижения в обоих случаях не со­ впадают из-за погрешностей моделирования толщи пород и несо­ вершенства методов измерений в природных условиях.

Результаты лабораторных и натурных исследований позволили представить механизм сдвижений пород над очистными выработ­ ками применительно к условиям Ангренского буроугольного ме­ сторождения в следующем виде. При отходе очистного забоя от разрезной печи (розжигового ряда для подземных газогенерато­ ров) и достижении выработки предельного устойчивого пролета происходит обрушение непосредственной кровли. На этой стадии характерным является образование свода обрушений. Вслед за об­ рушением пород приходят в движение вышележащие слои, кото­ рые прогибаются и вызывают оседание земной поверхности. Пер­ воначальная стадия обрушения пород имеет место как при шахт­ ной выемке, так и в условиях подземной газификации углей. Дальнейшее развитие сдвижения пород кровли при рассматривае­ мых способах выемки имеет некоторые отличия.

В лавах с органной крепью породы над выработанным прост­ ранством смещаются в виде блоков, ширина которых определяет­ ся шагом посадки кровли. В лавах с механизированной крепью непосредственная кровля пласта испытывает прогиб с разрывом сплошности, В этом случае зона обрушения пород практически от­ сутствует. Другой характер деформаций пород имеет место над подземными газогенераторами.

При существующих системах выгазовывания угольного пласта после проработки канала газификации между скважинами розжи­ гового ряда перпендикулярно к нему создаются сбоечные каналы. По мере выгазовывания угля и увеличения ширины этих каналов происходит обрушение пород непосредственной кровли. Таким об­ разом, при подземной газификации впереди линии фронта сплош­ ного выгазовывания угольного пласта, образующегося при расши­ рении розжигового ряда, всегда формируются локальные зоны об­ рушения пород в опережающих узких каналах.

Изложенные особенности поведения пород относятся к непо­ средственной кровле угольного пласта. Под непосредственной кров­ лей понимают ту часть породных слоев, которые обрушаются вслед за подвиганием забоя. Остальная толща пород относится к основной кровле. В процессе подработки породы основной кровли

прогибаются. Прогиб пород происходит согласованно без сущест­ венных зависаний отдельных слоев.

Впереди очистного забоя возникает опорное давление, под воз­ действием которого угольный пласт подвергается растрескиванию и частичному выдавливанию в сторону выработки. Весьма ощути­ мое опорное давление на угольный пласт, как показали наблюде­ ния за состоянием крепи в условиях Ангренского месторождения, распространяется на расстояние до 10 м впереди движущегося за­ боя.

Прогиб слоев пород приводит к возникновению в верхней ча­ сти массива горных пород над целиком значительных горизон­ тальных сдвижений. Максимальные подвижки испытывают извест­ няки и алевролиты.

Процесс сдвижения сопровождается появлением трещим в тол­ ще пород и на земной поверхности. При возникновении трещин над выработанным пространством возможны два случая': или эти трещины не соединяются с водоносным горизонтом, пли такое со­ единение осуществляется. В первом случае глинистые породы под воздействием горного давления сомкнутся и трещины ликвидиру­ ются, во втором случае вода начнет вымывать из слоев алевро­ лита пылеватые и песчаные частицы и заполнять ими трещины. Водопроницаемость трещин, заполненных таким материалом, тре­ бует специального изучения. Необходимо отметить, что при под­ земной газификации углей развитию образовавшихся трещин спо­ собствует температурный фактор. Горячие газы, проникающие в трещины, прогревают их стенки и изменяют пластические свойства пород.

Развитие трещин в породах кровли угольного пласта при под­ земной газификации приводит к увеличению утечек дутья и газа и в отдельных случаях к дополнительным водопритокам в подзем­ ные газогенераторы. Трещины в кровле могут способствовать об­ разованию обходных потоков реагентов, которые, соединяясь с по­ током газа вблизи газоотводящих скважин, могут вызывать час­ тичное его догорание.

Из изложенного следует, что сдвижение горных пород при под­ земной газификации углей, так же как и при шахтной выемке, оказывает значительное влияние на процесс добычи.

5.3.3. Установление контуров выработанного пространства и характера выгазовывания угольного пласта по данным наблюдений за сдвижением земной поверхности

Разработанная проф. С. Г. Авершиным методика определе­ ния положения огневого забоя и конфигурации выгазованного про­ странства, основанная на использовании характерных точек муль­ ды сдвижения земной поверхности [1], получила подтверждение практической применимости ее в условиях Подмосковного бассей­ на..По сравнению с последним Ангренское буроугольиое месторож­ дение характеризуется большей глубиной залегания угольного

пласта (на участках газификации 120—200 м), значительной мощ­ ностью угольного пласта (до 10 м на участках наблюдений) и на­ личием в породах кровли мощной толщи известняка и мергеля.

Всвязи с этим возникла необходимость в установлении воз­ можности применения методики определения внешних контуров выгазовываиия в условиях Ангренского месторождения. Сущность методики сводится к следующему.

Вглавных сечениях мульды сдвижения кривые оседания по­ верхности могут быть описаны определенным математическйм вы­ ражением. С. Г. Авершиным на основании интегральных и диф­ ференциальных свойств кривой оседания предложено уравнение

где 11(Л) — величина оседания в точке с абсциссой х; т]0 — величина максимального оседания; I — абсцисса точки перегиба; е — осно­ вание натуральных логарифмов.

Р. А. Муллер, решив систему дифференциальных уравнений, связывающих элементы сдвижения горных пород в главных се­ чениях мульды, получил уравнение кривой оседания в выражении через функцию Гаусса

Кривая оседания имеет некоторые характерные точки: наи­ большего оседания, перегиба, наибольшей кривизны. Закономер­ ности расположения мульды сдвижения и ее характерных точек относительно выработанного пространства могут быть использо­ ваны для определения контура выгазовываиия.

Согласно формуле (5.2) распределение величины оседания в вертикальных сечениях мульды при данной глубине разработки зависит только от линейных размеров выработки. Следовательно, зная эту зависимость, по фактическим кривым оседания можно определить размеры и положение выработки. Для этого вычисляют расчетные кривые оседания в долях rjo, соответствующие набору различных размеров выработки. Затем, подбирая к фактической кривой оседания максимально совпадающую с ней расчетную, на­ ходят линейный размер выработки по фактической кривой оседа­ ния. Для определения границы выработки от проекции точки наи­ большего оседания откладывают полученный размер. Этот метод

личины вторых производных кривой оседания на участке между реперами п — 1 и п, п и п+1.

Отсчет найденного расстояния а производится от средней части интервала между серединами реперов п — 1 и л, л и п+1.

Достоинствами аналитического метода перед графическим яв­ ляются быстрота нахождения точки перегиба кривой оседания, от­ сутствие необходимости графических построений, исключение эле­ мента субъективности и более высокая точность.

Недостатками метода являются отсутствие наглядности, а так­ же невозможность его применения при нарушении плавности кри­ вой оседания. В последнем случае для определения точки переги­ ба кривая оседания должна быть предварительно сглажена и гра­ фический метод получает преимущество.

По данным инструментальных наблюдений установлено, что точка перегиба располагается над границей очистного простран­ ства и целика угля, со стороны движущегося забоя она смещается от этой границы на '2—4 м в сторону выработанного пространства.

Аналогичные данные были получены при вскрытии подземного газогенератора скважинами с отбором керна. Погрешность опреде­ ления положения точки перегиба относительно границ выработок в обоих случаях не превышала ± 5 м.

Выше были рассмотрены методы определения внешних конту­ ров выгазованного пространства. При подземной газификации, кроме установления контуров выгазовывания, необходимо иметь представление о характере отработки угольного пласта по площа­ ди и мощности и о направлении каналов газификации. Решение указанных вопросов позволит осуществлять текущий контроль за полнотой извлечения полезного ископаемого и регулированием тех­ нологического режима работ по газификации, уменьшать потери угля в подземном газогенераторе.

Фактические данные, полученные в результате бурения конт­ рольных скважин на выгазованное пространство, свидетельству­ ют о неравномерном выгазовывании пласта угля по мощности, а также о наличии невыгазованных угольных целиков в выработан­ ном пространстве. Из сопоставления результатов отбора керна и данных сдвижения земной поверхности в районе бурения скважин следует, что оставшиеся в выгазованном пространстве относитель­ но небольшие целики угля не оказывают существенного влияния на конфигурацию и характер распределения изолиний оседания.

Планы с изолиниями скоростей оседания земной поверхности, построенные на отдельные периоды газификации, позволяют полу­ чить представления о местоположении наиболее интенсивного вы­ газовывания угольного пласта по площади, однако этих данных для оперативного контроля за характером отработки пласта не­ достаточно. Более полную информацию о характере выгазовыва-

имя угольного пласта можно получить по данным распределения изолиний кривизны мульды оседания земной поверхности.

Нулевая изолиния, представляющая собой геометрическое ме­ сто точек перегиба, может быть принята в качестве внешнего кон­ тура выгазованного пространства. Распределение и конфигурация изолиний кривизны внутри этого контура дают представление о ха­ рактере выгазовывания пласта по мощности и направлении прора­ ботки каналов газификации.

Внутри выгазованного пространства местоположение целиков угля может быть определено точками перегиба кривой оседания. Установить фактические размеры целиков из-за отсутствия данных о расположении точек перегиба относительно границ выгазовывання внутри выработанного пространства не представилось возмож­ ным.

Характер распределения изолиний кривизны мульды оседаний позволяет считать, что угольный пласт был отработан неравно­ мерно по мощности. В центральной части рассматриваемого уча­ стка произошло выгазовывание пласта наиболее полно по мощно­ сти сравнительно узким каналом.

Участки земной поверхности с положительной кривизной, рас­ положенные внутри контура выгазованного пространства, свиде­ тельствуют о наличии здесь целиков угля. Следует отметить, что определение мощности угольного пласта в таких целиках по марк­ шейдерским данным затруднительно. Положительная кривизна мульды оседаний будет иметь место и в случае оставления цели­ ков, и при локальном недогазовывании угольного пласта по мощ­ ности.

Метод определения характера выгазовывания угольного пласта по изолиниям кривизны мульды оседания земной поверхности поз­ воляет осуществлять контроль за отработкой угольного пласта по площади и мощности, за местоположением целиков угля в преде­ лах выгазованного пространства, а также за направлением ка­ налов газификации в процессе ведения технологических работ. Эти сведения необходимы для совершенствования конструкций подзем­ ных газогенераторов и технологии подземной газификации углей.

Область применения методики определения контуров вырабо­ танного пространства и характера отработки угольного пласта не ограничивается подземной газификацией углей. Без существенных изменений она может быть использована при других геотехнологических методах добычи полезных ископаемых в условиях поло­ гого залегания разрабатываемых пластов и в слабых покрываю­ щих породах, обеспечивающих быстрое распространение процесса сдвижения до земной поверхности.

Анализом данных наблюдений за оседанием земной поверхно­ сти над лавами установлено, что объем мульды оседания нахо­ дится в пропорциональной зависимости от объема извлеченного угля.

Причем коэффициент kv, характеризующий эту пропорциональ­ ность, имеет различные значения для активной стадии процесса