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

1:500

Рис. 3.2.Геологическое строение породного массива на участках наблю­ дений

В пределах участков газификации выше каолиновой свиты зале­ гают меловые и сузакские отложения, представленные песками, песчаниками и алевролитами. Суммарная мощность их соста­ вляет 38 м. Эта толща пород над лавами шахты отсутствует. Алай­ ские отложения представлены известняками одинаковой мощ­ ности (около 18 м). В геологическом разрезе над лавами мергели туркестанского яруса отсутствуют; на участках газификации они имеют мощность около 15 м. Четвертичные отложения на участ­ ках наблюдений представлены суглинками мощностью 10 и 23 м.

Лабораторные испытания показали, что большинство образцов глин и песка, слагающих кровлю угольного пласта, имеют предел прочности на одноосное сжатие 1,12—1,32 М Па и менее. Наиболее крепкие породы (песчаник, известняк) облада­ ют также сравнительно небольшим пределом прочности —7,4 — 14,9 МПа. Известняк сильно нарушен трещинами, что значи­ тельно снижает его прочность в массиве. Глубина залегания кро­ вли угольного пласта на участках газификации 120 — 140 м, на шахте —105—110 м. Таким образом, несмотря на некоторые раз­ личия в мощности покрывающих пород, участки наблюдений находились в близких горно-геологических условиях.

Мощность угольного пласта на шахте составляла 18 м, угол падения — 8°. В период наблюдений пласт разрабатывался двумя слоями 2,6 - 3,0 м. Система разработки в слоях —длин­ ные столбы по простиранию. Выемка угля осуществлялась с применением ВВ. Длина лавы —110 м. Подвигание забоя лавы за цикл составляло 2,4 м. Способ управления кровлей —полное обрушение вначале на одной половине лавы, затем на другой. На одном из участков наблюдений выемка угля в лаве осущест­ влялась с применением очистного механизированного ком­ плекса. Мощность угольного пласта на участках газификации составляла 3-10 м, угол падения - 5°. Отработка угольного пла­ ста производилась участками (газогенераторами), ш ирина которых составляла 100-200 м. Вначале бурились скважины розжигового ряда и создавался очаг газификации между ними. Затем очаг горения развивался в одну или обе стороны от роз­ жигового ряда. Выгазовывание пласта происходило постепенно по площади и мощности.

Рабочие реперы наземных наблюдательных станций над шахтными выработками закладывались по профильным линиям на расстоянии Ю м один от другого. Нивелирование реперов производилось один раз в месяц, измерение расстояний между ними —один раз в три месяца. Для частотных наблюдений, кото­ рые проводились с интервалом 1—3 часа и увязывались с посад­ кой кровли в лаве во времени, была заложена специальная стан­

ция, состоящая из двух профильных линий с расстоянием между реперами 4 —5 м.

Над участками газификации грунтовые реперы располага­ лись по прямоугольной сетке 10x20 м и 15х 15 м или по профиль­ ным линиям в направлении движения огневого забоя и перпен­ дикулярно к нему. Расстояние между реперами профильной линии составляло 15 м, между профильными линиями - 30 - 40 м. Нивелирование реперов производилось 1 —2 раза в месяц при интенсивном ведении процесса газификации и 2—3 раза в год при его затухании. Расстояния между реперами измерялись с тем же интервалом, что и при шахтных наблюдениях.

Для решения вопроса определения положения границ и полноты выгазовывания угольного пласта привлекаются законо­ мерности процесса сдвижения, установленные при шахтной раз­ работке. В связи с этим необходимо рассмотреть, какие различия физического и горнотехнического порядка возникают при под­ земной газификации по отношению к шахтной выемке и в какой степени эти отличия могут повлиять на изменения закономерно­ стей сдвижения земной поверхности.

Ф орм а перем ещ ения забоя . В условиях шахтной выемки ширина фронта очистного забоя составляет около 100 м, а забой имеет прямолинейную и ступенчатую формы и переме­ щается параллельно самому себе. В условиях подземной гази­ фикации угольного пласта ширина очага газификации, как правило, не меньше ширины лавы. Перемещение огневого забоя может происходить не по всему фронту газогенератора с образованием криволинейной формы забоя. Однако извили­ стость огневого забоя должна быть плавной, так как при фор­ мировании резких выступов угольного целика произойдет кон­ центрация горного давления на них, что приведет к их разруше­ нию и выгазовыванию.

Н еравном ерност ь вы газовы вания угольного пласт а по м ощ но­

ст и. В условиях послойной отработки угольного пласта лавами вынимаемая мощность его изменяется в относительно неболь­ ших пределах. При подземной газификации эти колебания могут

быть значительными в зависимости от изменения мощности угольного пласта, его зольности, породных прослойков и нерав­ номерного распределения зон газификации.

С т рукт ура вы газованного прост ранст ва. В условиях шах­ тной выемки призабойная часть лавы все время остается закре­ пленной. За пределами закреплённого пространства происхо­ дит полное обрушение кровли. В обрушенном пространстве остаётся часть деревянной крепи (по данным практики 10 % от мощности вынимаемого слоя), которую не удалось извлечь при посадке лавы.

При подземной газификации в выгазованном пространстве остаются зола и шлаки, а также невыгазованные пачки угля. Объем шлаков, как показали исследования И. А. Турчанинова, В. Н. Казака и других, не превышает 10—20 % (среднее значение 13 %), а объем рыхлого зольного остатка изменяется от 2 до 12 %

исоставляет в среднем 5 % от объема выгазованного угля.

Физическое сост ояние угольного пласт а. При шахтной выем­

ке призабойная часть угольного пласта растрескивается и частично выдавливается в выработку под воздействием опорно­ го давления. Обследованием состояния крепи подготовительных выработок лавы было установлено, что наиболее интенсивно горное давление действует на угольный пласт на рассстоянии до 10 м впереди движущегося очистного забоя.

При подземной газификации, помимо горного давления, образованию трещин в призабойной части угольного пласта спо­ собствует его термическая подготовка.

Ф изико-м еханические свойст ва пород непосредст венной к р о ­

вли. Породы непосредственной кровли угольного пласта при подземной газификации подвергаются термической обработке, в результате чего происходит изменение их структуры и химиче­ ского состава. Теоретическими исследованиями установлено, что прогрев пород за счет температуропроводности не превыша­ ет 1-2 м.

Рассматривая вопрос о влиянии указанных факторов на про­ цесс сдвижения толщи пород, необходимо отметить, что как в

условиях шахтной выемки, так и в условиях подземной газифи­ кации углей, основным определяющим фактором, обуславли­ вающим процесс сдвижения, является горное давление. Стало быть, общие закономерности сдвижения горных пород как физического процесса при подземной газификации существен­ ным образом измениться не могут. И, действительно, инстру­ ментальные наблюдения показали, что расположение верти­ кальных и горизонтальных сдвижений, деформаций, точек пере­ гиба кривых оседаний земной поверхности над подземными газогенераторами и лавами имеет один и тот же характер.

При ширине выработанного пространства около 10 м сдви­ жение проявлялось на земной поверхности. Частотными наблю­ дениями над лавами было установлено, что продолжительность распространения сдвижения горных пород от подземных выра­ боток до земной поверхности составила 4—5 часов при первич­ ной и не превысила одного часа при повторной подработке. Таким образом, быстрота распространения процесса сдвижения в толще пород позволяет использовать закономерности сдвиже­ ния земной поверхности для оперативного контроля за выгазовыванием угольного пласта.

В процессе подземной газификации мощного угольного пласта выгазовывание его по мощности происходит неравномер­ но в пределах подземного газогенератора. В зависимости от режимов газификации в отдельные периоды участки интенсив­ ного выгазовывания пласта по мощности перемещаются по всей площади газогенератора, поэтому земная поверхность претерпе­ вает неоднократную подработку. Этим и объясняется необходи­ мость установления параметров и закономерностей сдвижения горных пород и земной поверхности при первичной и повторной подработках в условиях шахтной выемки.

В результате инструментальных наблюдений над шахтными выработками было установлено, что наиболее устойчивое поло­ жение относительно контуров выработанного пространства занимают точки перегиба кривых оседаний земной поверхности, которые практически располагались над границей выработки

(±5 м). Устойчивость местоположения точки перегиба в условиях подземной газификации должна сохраняться (что и подтверди­ лось инструментальными наблюдениями), так как кривые оседа­ ний земной поверхности оказались более плавными, чем при шахтной разработке.

Следует отметить, что огневой забой не представляет собой резко выраженной границы между выгазованным простран­ ством и угольным целиком. Это некоторая толща термически подготовленного угольного пласта, где происходят реакции газо­ образования. Поэтому положение точки перегиба определяется, строго говоря, относительно некоторой условной границы, от которой происходит прогиб пород непосредственной кровли.

В шахтных условиях между забоем и завалом сохраняется закреплённое рабочее пространство. Непосредственная кровля над рабочим пространством лавы дает прогиб, величина которо­ го изменяется в зависимости от ряда факторов. В этом случае, как и при подземной газификации углей, процесс сдвижения распространяется от границы начала прогиба пород непосред­ ственной кровли. Расстояние от указанной границы до целика угля в условиях шахтной выемки и подземной газификации угольного пласта изменяется в незначительных пределах. Под­ тверждением этого служит хорошая сходимость значений пара­ метров сдвижения (углов сдвижения, граничных углов и др.), установленных при обоих способах разработки (табл. 3.1)

3.3.2 Механизм сдвижения горных пород над выработанным пространством

Изучение поведения толщи пород при ПГУ проводилось с целью решения следующих основных вопросов: установление характера деформаций пород над выработанным пространством и распределения составляющих вектора сдвижения относитель­ но границ газогенератора в плане и по высоте, выявление меха­ низма сдвижения пород впереди движущегося забоя. Постанов­ ка этих вопросов диктуется необходимостью обеспечения ста­ бильного, эффективного процесса газификации в подземном

газогенераторе и увеличения срока службы эксплуатационных скважин, попадающих в область сдвижения горных пород.

Исследования проводились применительно к условиям рабо­ ты лав с органной и механизированной крепью, а также к усло­ виям работы подземных газогенераторов. При этом были исполь­ зованы результаты наблюдений за сдвижением наземных и глу­ бинных реперов в природных условиях, данные обследования нарушенных эксплуатационных скважин при подземной газифи­ кации угольного пласта, данные бурения контрольных скважин с отбором керна на выгазованные участки и результаты экспери­ ментов на плоских моделях из эквивалентных материалов.

Наблюдения за развитием процесса сдвижения горных пород по глубине производилось с помощью глубинных реперов, заложенных в специальные скважины, пробуренные с земной поверхности. Скважины бурились диаметром 150—180 мм и верхний участок их обсаживался кондуктором. Далее скважины проходились без обсадки с отбором керна в местах предполага­ емой закладки реперов. Установка реперов осуществлялась сразу же по окончании бурения и каротажа до обрушения стенок необсаженной части скважин.

Конструкция глубинного репера состоит из цилиндрическо­ го репера, стального троса и металлических полудюймовых тру­ бок. Металлические трубки служат для защиты троса от повреж­ дения, а также для обеспечения свободного хода его при обруше­ нии стенок скважины. Реперы закреплялись на определенных горизонтах с помощью гравийной отсыпки и цементного раство­ ра. После монтажа реперов к кондуктору скважины приваривал­ ся кронштейн с блоками, на которые навешивались тросы глу­ бинных реперов с противовесами.

Наблюдения за сдвижением глубинных реперов состояли из периодических нивелировок кондуктора скважины и определе­ ния положения меток, закрепленных на тросах реперов, относи­ тельно кондуктора. Абсолютное сдвижение глубинных реперов определялось путем алгебраического суммирования величины оседания кондуктора скважины и перемещения метки.

Выявление характера деформаций породного массива в при­ родных условиях производилось по данным обследования обсад­ ных колонн нарушенных скважин подземных газогенераторов. Методика обследования заключается в следующем. Вышедшая из строя скважина отключается от коммуникаций и измеряется (гидрогеологической хлопушкой) глубина образования в ней породной пробки. При необходимости производится чистка и промывка скважины. Затем осуществляется ориентированный спуск «печати». На скважине устанавливается буровой станок и к нижней части буровой трубы прикрепляется деревянный цилиндр длиной 0,3—0,5 м (диаметр его на 2—3 см меньше диаме­ тра обсадной колонны скважины) со свинцовой пластиной на конце.

Ориентирование «печати» в горизонтальной плоскости про­ изводится с помощью теодолита. Метка ориентируется на окружности цилиндра, затем последовательно проектируется на верхнюю соединительную муфту каждой буровой трубы в про­ цессе спуска «печати». При наращивании бурового инструмента осуществляется контроль за вертикальным опусканием метки из верхнего положения к устью скважины. При остановке инстру­ мента на горизонте нарушения скважины производится отпеча­ ток деформированной обсадной трубы на свинцовой пластине. Глубина нарушения обсадной колонны фиксируется с точностью до 10 см. Полученный отпечаток позволяет судить о характере деформации, ее величине и направлении смещения отдельных частей обсадной трубы.

Описанные выше методы исследований позволяют полу­ чить представление о динамике сдвижения и деформирования отдельных частей толщи горных пород в процессе подработки. Полученные данные можно увязать с параметрами отработки угольного пласта в лаве: с положением забоя, контурами вырабо­ танного пространства, вынимаемой мощностью пласта и др.

В условиях подземной газификации это сделать невозможно без применения специальных методов, позволяющих изучить структуру выгазованного пространства и установить его форму и

размеры. Для решения этих вопросов, а также с целью выявле­ ния различных зон деформаций толщи пород было произведено бурение контрольных скважин на отработанных участках гази­ фикации. Зоны деформаций с различной степенью нарушенности породных слоев устанавливались по изменению циркуля­ ции, интенсивности и характеру поглощения промывочной жид­ кости в процессе бурения, а также по наличию пустот (обнару­ живаются провалами бурового инструмента) и нарушенности пород в отобранном из скважин керне. Характер выгазовывания угольного пласта по мощности и площади, степень заполнения и структура выработанного пространства определялись на основе изучения керна, извлеченного из отработанных частей подзем­ ного газогенератора.

Одним из наиболее простых и эффективных методов изуче­ ния характера сдвижения толщи пород при подземных разработ­ ках в лабораторных условиях является моделирование с помо­ щью эквивалентных материалов. Моделирование производи­ лось на плоском стенде длиной 4,5 м и шириной 20 см. В процес­ се исследований устанавливался характер деформации толщи пород при системах разработки, имеющих место на шахте и стан­ ции «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. Наблюдения за деформациями толщи пород по мере отработки угольного пласта велись методом фотофиксации, предложенном ВНИМИ.

В результате экспериментов на моделях было установлено, что при сплошной выемке угольного пласта (первичная подра­ ботка) распределение составляющих вектора сдвижения носит закономерный характер: максимальные вертикальные смеще­ ния расположены над выработанным пространством и уменьша­ ются в направлении к целику, горизонтальные сдвижения имеют минимальные значения над центральной частью выработки и максимальные значения —в верхней части толщи над границей между выработанным пространством и целиком.