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

от применяемых на угольных месторождениях. Вызвано это осо­ бенностями сдвижения горных пород и земной поверхности, обусловленными различиями в системах разработки и прочност­ ных характеристиках подрабатываемого породного массива.

Инструментальные и визуальные наблюдения за сдвижени­ ем горных пород и земной поверхности проводят на наблюда­ тельных станциях, состоящих из систем реперов, расположен­ ных на земной поверхности, в горных выработках, скважинах, целиках и подрабатываемых объектах. В зависимости от место­ положения и назначения различают три типа наблюдательных станций: наземные — для определения параметров процесса сдвижения земной поверхности; подземные — для определения характера и величин сдвижений, деформаций толщи пород; спе­ циальные — для контроля за состоянием подрабатываемых объектов и определения величин их деформаций.

Для установления взаимосвязи деформаций подрабатывае­ мых объектов с параметрами процесса сдвижения горных пород и земной поверхности закладывают комплексные станции, вклю­ чающие все три типа наблюдательных станций.

Для определения значений основных параметров процесса сдвижения реперы наземных наблюдательных станций заклады­ вают по основным профильным линиям (одна линия — по про­ стиранию, две линии — вкрест простирания залежи) в главных сечениях мульды сдвижения. Если точное положение главных сечений мульды определить трудно, то параллельно основным профильным линиям на расстоянии, 3—5-кратном интервалу между рабочими реперами, закладывают дополнительные про­ фильные линии.

В случае если рудные тела имеют неправильную форму с неясно выраженными элементами залегания, профильные линии ориентируют параллельно и перпендикулярно проект­ ным границам очистных работ. При наличии на участке наблю­ дательной станции зоны обрушения или возможности образова­ ния такой зоны профильные линии должны состоять из двух отрезков, расположенных от границы зоны обрушения в сторо­

ны висячего и лежачего боков рудного тела. При существенном различии в ожидаемом характере процесса сдвижения пород лежачего и висячего боков закладывают дополнительные про­ фильные линии.

На месторождениях сложной структуры количество про­ фильных линий наблюдательных станций выбирают исходя из необходимости определения величин углов сдвижений и разры­ вов при различных углах падения рудных залежей и различной степени подработанности земной поверхности. При этом кроме начальной и конечной серий наблюдений проводят промежуточ­ ные, приуроченные к характерным этапам отработки залежей.

Местоположение, длины основных и дополнительных про­ фильных линий в зависимости от горно-геологических условий залегания разрабатываемых рудных тел, характера проявления процесса сдвижения на земной поверхности определяют в соот­ ветствии с «Инструкцией по наблюдениям за сдвижением гор­ ных пород и земной поверхности при подземной разработке руд­ ных месторождений» (М.: Недра 1988).

При производстве наблюдений большое внимание должно уделяться безопасности работ. Необходимо учитывать воз­ можность увеличения размеров провалов после производства массовых взрывов и обрушения междукамерных целиков и пото­ лочин.

На месторождениях с крепкими вмещающими породами закладывать наблюдательные станции для определения углов сдвижения нецелесообразно. Достаточно производить съемку провалов и трещин, фиксировать дату их возникновения и опре­ делять углы разрывов.

Проведение непосредственных наблюдений в ожидаемой зоне образования провалов и воронок не допускается. При инструментальном определении величин сдвижений в ожидае­ мой зоне образования воронок и провалов необходимо заклады­ вать реперы особой конструкции, позволяющей проводить дистанционные измерения.

ем времени характерных этапов горных работ (производство массовых взрывов, выпуск руды из магазинов, погашение междукамерных целиков, потолочин и т.д.»;

—изучение тектонической нарушенности и трещиноватости породного массива, сбор данных о прочностных свойствах пород.

При совместной разработке месторождения подземным и открытым способами в зоне влияния подземных работ заклады­ вают комплексные наблюдательные станции, состоящие из про­ фильных линий на уступах и откосах бортов карьера, глубинных реперов в скважинах и реперов в выработках, расположенных под карьером.

В зоне обрушения и местах вероятного внезапного образования воронок над пустотами наблюдения проводят дистанционно. В толще пород их выполняют с помощью скважин с глубинными реперами или геофизическими методами. На поверхности (в карье­ ре) применяют фототеодолитную съемку, дистанционное нивелиро­ вание с помощью оцифрованных реперов - вешек и другие методы.

Дистанционные стереофотограмметрические наблюдения за образованием воронок в зоне обрушения проводят с предва­ рительной установкой в ней съемочных марок. Более частые фототеодолитные наблюдения для определения места выхода воронки на поверхность и динамики ее развития проводят с одной постоянной точки ориентированной фотокамерой с использованием псевдостереоэффекта.

Визуальные наблюдения дополняют необходимыми сведе­ ниями данные инструментальных наблюдений и создают общее представление о характере развития процесса сдвиже­ ния и деформирования охраняемых объектов. Визуальные наблюдения позволяют определить характер развития зон обрушения и трещин на земной поверхности, степень повреж ­ дения подрабатываемых зданий, сооружений и разрушения целиков и крепи и т.п.

При визуальных наблюдениях используют компас, рулетку, линейку, фотоаппарат. Результаты наблюдений записывают в полевой журнал, в котором отмечают дату наблюдения, объект

наблюдения, характер нарушений и их размеры, привязку места осмотра. Визуальные наблюдения должны сопровождаться зари­ совками и фотоснимками наиболее характерных явлений. По результатам наблюдений на план земной поверхности наносят границы зон обрушения и трещин, а на разрезах определяют углы воронкообразования, обрушения или разрывов. Воронки и провалы на земной поверхности подлежат ограждению.

В принципе меры охраны зданий, сооружений и других подрабатываемых объектов, рекомендуемые при разработке угольных месторождений, пригодны и в условиях подземной разработки рудных месторождений. Однако при разработке руд­ ных месторождений сравнительно редко прибегают к оставле­ нию предохранительных целиков из-за высокой стоимости минерального сырья. Все наземные сооружения, здания и другие объекты размещают за пределами зоны ожидаемого сдвижения. В случае подхода горных работ к ранее возведенным сооруже­ ниям применяют горные и конструктивные меры охраны.

Охрана сооружений предохранительными целиками приме­ няется, когда другие меры не обеспечивают их сохранности, а перенос объектов на безрудные площади невозможен или эконо­ мически нецелесообразен.

Построение предохранительных целиков при разработке рудных месторождений имеет свои особенности. При разработ­ ке рудных залежей сложной формы в случае неполной подработ­ ки земной поверхности границы предохранительных целиков определяют с учетом степени ее подработанности, вводя поправ­ ки в углы сдвижения.

Построение предохранительных целиков на месторождениях, представленных изолированными жилами, залегающими в крепких изверженных породах, осуществляется способом вертикальных раз­ резов с учетом следующего. На вертикальных разрезах от границы охраняемой площади проводят линии под углом до пересечения с границей зоны выветрелых пород. Ниже границы выветрелых пород оставляют потолочину, равную четырехкратной мощности жилы. Целики строятдля всех жил, попадающих в предохранительную зону.

Контрольные вопросы

1.Назовите характерные зоны деформаций земной поверх­ ности при отработке крутопадающих залежей.

2.Какие формы проявления процесса сдвижения горных пород на земной поверхности наиболее опасны?

3.Какое влияние оказывает трещиноватость горных пород на процесс сдвижения?

4.Как проводят изучение трещиноватости горных пород?

5.Какие основные геомеханические задачи требуют реше­ ния при совместной разработке?

З.СДВИЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ

СКВАЖИННЫХ (ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ) МЕТОДАХ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

3.1 Общие сведения о скважинных методах добычи полезных ископаемых

Возрастающая с каждым годом потребность во всех видах минерального сырья требует вовлечения в разработку все более бедных и глубоко залегающих месторождений. Эксплуатация таких месторождений традиционными (открытым и подземным) способами является неэкономичной. Связано это с осложнени­ ем горно-геологических условий на больших глубинах, опасны­ ми проявлениями горного давления, высокими температурами и, как следствие всего перечисленного, со значительным увели­ чением затрат на поддержание и проветривание выработок. Тра­ диционные способы добычи не освобождают работников горных предприятий от тяжелого труда, требуют извлечения и переме­ щения больших объемов пустых пород, для размещения которых приходится отчуждать значительные площади ценных земель­ ных угодий.

Эффективная разработка бедных и глубоко залегающих месторождений возможна на основе скважинных методов физи-

ко-химической геотехнологии (ФХГ) добычи, позволяющих вести процесс извлечения полезных ископаемых непосредствен­ но на месте их залегания, повысить производительность труда, исключив присутствие людей и трудоемкие производственные операции под землей. В настоящее время эти методы имеют ограниченное применение, однако, как отмечал акад. Н. В. Мельников, они станут в ближайшие десятилетия основой технического прогресса при добыче многих полезных ископаемых.

Скважинные методы разработки твердых полезных ископа­ емых основаны на переводе их в подвижное состояние на месте залегания посредством осуществления тепловых, массообмен­ ных, химических и других процессов с последующей выдачей полезных компонентов из недр на земную поверхность через скважины. Перевод полезного ископаемого в подвижное состоя­ ние при скважинных методах осуществляют путем физического, химического, физико-химического или микробиологического воздействия.

Свойства полезных ископаемых, определяющих их способ­ ность переходить в подвижное состояние с помощью растворе­ ния, выщелачивания, горения, плавления и т.д. называют геотехнологическими свойствами. Под влиянием рабочих агентов полезное ископаемое образует продуктивные флюиды (раствор, расплав, газ и др.), обладающие свойством подвижности и содер­ жащие в своем составе полезные компоненты. В качестве рабо­ чих агентов используют химические (вода, растворы кислот, щелочей и др.), термические (вода-теплоноситель, горячий газ), термохимические (воздух, кислород), механические (сжатый воздух, высоконапорная вода) и др.

Наиболее широкое промышленное применение нашли сле­ дующие методы физико-химической геотехнологии:

• подземное выщелачивание —метод добычи цветных, ред­ ких и радиоактивных металлов, основанный на химических реакциях подаваемого агента с полезными компонентами руд на месте их залегания и извлечении на земную поверхность продук­ ционных растворов;

•подземное растворение —метод разработки месторожде­ ний каменной и калийных солей путём их растворения на месте залегания;

•подземная выплавка-метод разработки месторождений самородной серы посредством подачи теплоносителя в залежь и извлечения на поверхность полезного ископаемого в виде рас­ плава;

•подземная газификация —метод разработки месторожде­ ний каменных и бурых углей путём газификации их на месте залегания и выдачи газообразных продуктов на земную поверх­ ность.

Общая схема скважинных методов включает вскрытие, под­ готовку и добычу полезного ископаемого. Вскрытыми считают­ ся запасы на площади залежи (пласта), разбуренной скважинами

иопробованной в объёме, необходимом для решения вопросов технологии их эксплуатации. Подготовленными к отработке являются запасы, подвергнутые дополнительным воздействиям для создания условий их эксплуатации. К эксплуатируемым относятся запасы, в пределах которых происходит извлечение полезного ископаемого, движение рабочих и продуктивных флюидов.

Условно геотехнологический процесс добычи разделяют на три операции: подвод рабочего агента к полезному ископаемому, перевод его в подвижное состояние и отвод продуктивных флю­ идов. Характер протекания геотехнологических процессов при скважинной добыче зависит от многих свойств полезных иско­ паемых и вмещающих пород. Наиболее важными являются те свойства, на использовании которых строится сама технология. Для каждого скважинного метода разработки существует свой перечень факторов, определяющих техническую возможность и экономическую целесообразность его применения в конкретных горно-геологических условиях.

По степени влияния различают факторы: решающие, главные

ивторостепенные. Решающие факторы определяют принципи­ альную возможность применения метода добычи. Так, например,

минеральный состав полезного ископаемого определяет возмож­ ность применения метода выщелачивания, а структура, текстура руды и мощность серной залежи —метода подземной выплавки серы. От главных факторов зависят техникоэкономические показатели эксплуатации месторождения. Второстепенные фак­ торы не влияют непосредственно на экономику, если они учтены при выборе системы разработки и технологических параметров.

Определение рациональных параметров системы разработ­ ки, конструкции эксплуатационных скважин, режимов геотехнологических процессов возможно только на основе комплекс­ ного анализа параметров и свойств залежи (пласта) с учетом гео­ логических, гидрогеологических, горнотехнических, технологи­ ческих и экономических факторов.

Основными элементами систем разработки являются: поря­ док отработки участков месторождения, конструкции эксплуа­ тационных скважин, расстояния между скважинами (сетка сква­ жин) и порядок ввода скважин в эксплуатацию, режимы техно­ логических процессов.

Сетка расположения скважин в зависимости от производи­ тельности пласта (залежи), физико-механических свойств, гор­ но-геологических условий залегания полезного ископаемого, вмещающих пород и других факторов может быть равномерной (квадратная, прямоугольная и т.д.) и неравномерной.

Расположенные в определённом порядке эксплуатационные скважины для подвода агента к залежи и доставки полезного ископаемого (полезных компонентов) на земную поверхность образуют подземный выемочный блок: камера при подземном растворении солей, газогенератор — при подземной газифика­ ции углей и т.п. На поверхности подземного выемочного блока расположены трубопроводы для подачи в скважины рабочего агента и транспортировки расплава, раствора, газа или других легкоподвижных компонентов полезного ископаемого, извле­ каемых из недр земли.

Конструктивные особенности наземной и подземной частей выемочных блоков при скважинной разработке полезных иско­

паемых определяются спецификой каждого метода. Управление процессом добычи осуществляется с земной поверхности путём изменения параметров (давления, расхода, температуры, состава и др.), а также мест ввода рабочего агента и отбора флюида.

На земной поверхности, на некотором расстоянии от выемочного блока, располагают оборудование: машины, меха­ низмы и устройства, связанные между собой технологической схемой добычи и транспортирования полезного ископаемого. Выбор оборудования для каждого метода добычи индивидуален. Так, при подземной газификации угольных пластов (ЛГУ) на земной поверхности располагают установки для выработки дутья, охлаждения, очистки и транспортировки газа потребите­ лям и другие сооружения.

Несмотря на существенные различия в применяемых сква­ жинных методах добычи полезных ископаемых в геомеханическом обеспечении физико-химической геотехнологии имеется очень много общего.

3.2 Геомеханические процессы при скважинных методах добычи

3.2.1 Влияние геомеханических процессов на технологию извлечения полезных ископаемых

При шахтной добыче полезных ископаемых одним из основ­ ных факторов, оказывающих существенное влияние на техноло­ гию разработки, является сдвижение горных пород и земной поверхности над выработанным пространством. Ожидаемые характер и параметры процесса сдвижения горных пород опреде­ ляют вместе с другими факторами выбор системы разработки, тип и параметры крепи выработок. Главное внимание при этом уделяется обеспечению безопасного ведения горных работ, пол­ ноты извлечения полезного ископаемого, а также сохранности зданий, сооружений, водоёмов и других наземных и подземных объектов, попадающих в область сдвижения.

Скважинные методы добычи исключают необходимость обеспечения безопасного ведения работ под землёй, а к осталь­