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

Анализ данных моделирования позволил сделать вывод, что в первую очередь приходят в движение породы над центром выработанного пространства. Затем происходит перемещение пород, расположенных над периферийными участками в напра­ влении сместившейся части массива. Наиболее сложную траек­ торию сдвижения имеют точки верхней части толщи пород, где концентрируются максимальные горизонтальные сдвижения.

Деформации пород непосредственной кровли в процессе выемки угольного пласта характеризуются следующим. В перво­ начальный момент отхода забоя от разрезной печи над выработ­ кой образуется зона беспорядочного обрушения пород. Высота зоны обрушения изменяется в зависимости от вынимаемой мощности слоя. При слое 2 м она не превышает полутора —двух­ кратную мощность его. Дальнейшее подвигание забоя не вызы­ вает увеличение высоты зоны обрушения и кровля деформирует­ ся в виде прогиба пород с разрывом и без разрыва сплошности.

Горизонтальные сдвижения вызывают появление трещин в толще пород и на земной поверхности как у неподвижной грани­ цы, так и впереди движущегося забоя. Район горизонтальных смещений со стороны неподвижной границы стабилизируется. Впереди движущегося забоя происходит перемещение зоны мак­ симальных горизонтальных сдвижений, что обуславливает появление новых трещин. Величина горизонтальной составляю­ щей вектора сдвижения у неподвижной границы несколько больше, чем у перемещающегося забоя.

Максимальные величины оседаний над выработанным про­ странством при повторной подработке в 1,5 раза, а горизонталь­ ные подвижки в 2 раза больше, чем при первичной. Это свиде­ тельствует о значительной уплотняемости пород при сдвижении подработанного ранее массива.

Сравнивая между собой данные о поведении толщи пород при первичной и повторной подработке необходимо отметить, что характер сдвижения пород в обоих случаях различен. Если в условиях первичной подработки в результате образования тре­ щин происходит перемещение нижней части толщи пород бло-

ками, то при повторной подработке имеет место смещение пород без образования блоков. При повторной подработке над вырабо­ танным пространством в верхней части толщи кроме оседаний возникают и горизонтальные перемещения пород, что не харак­ терно для условий первичной подработки (рис. 3.3).

ММ

Рис. 3.3. Характер сдвижения толщи пород при повторной подработке: а —изолинии оседаний, б - изолинии горизонтальных сдвижений, в — изолинии направлений векторов сдвижений

Имитация газификации угольного пласта отдельными кана­ лами на моделях осуществлялась отработкой пласта полосами с оставлением целиков между ними. При отработке угольного пласта над каждым каналом образуется зона беспорядочного обрушения, высота которой в 2 —3 раза превышает высоту зоны обрушения пород при сплошной выемке угольного пласта широ­ ким фронтом. Распределение горизонтальных сдвижений при отработке угольного пласта полосами носит тот же характер, что и при повторной подработке широким фронтом.

Сдвижение пород над локальными выемочными участками имеет те же закономерности, что и толща пород при сплошной отработке угольного пласта. Над центральной частью выработки происходит смещение породных слоев по нормали. Развитие вертикальных сдвижений вызывает перемещение пород со сто­ роны целиков, расположенных между выемочными участками. Непосредственно над центральной частью целиков горизонталь­ ные подвижки отсутствуют. Наименьший угол наклона вектора сдвижения имеет место в верхней части толщи над внешним целиком; значение его увеличивается по мере удаления в глубь массива и в сторону выработанного пространства.

Общая схема деформации толщи пород при выемке угольно­ го пласта полосами и при сплошной отработке идентична только в верхних ее слоях; деформации нижней части толщи пород при выемке угольного пласта полосами имеют более сложный харак­ тер из-за образования и взаимного влияния локальных зон сдви­ жения над выемочными участками (рис. 3.4).

Инструментальные наблюдения за смещением глубинных реперов, расположенных над угольным пластом с интервалом по глубине через 12 — 25 м, позволили выявить характерные особен­ ности сдвижения горных пород и земной поверхности в процес­ се перемещения очистного забоя. Сдвижение глубинных репе­ ров началось на расстоянии 15 м впереди очистного забоя, в то время как оседание земной поверхности было зафиксировано в 20 м от движущегося забоя. При этом вначале оседание глубин­ ных реперов происходило с меньшими скоростями по сравне-

Рис. 3.4. Характер сдвижения толщи пород при обработке угольного пласта полосами: а —профили оседаний, б- изолинии горизонтальных сдвижений, в —изолинии направлений векторов сдвижений

нию с земной поверхностью, затем, на расстоянии 8,5 —1,5 м от забоя, скорости сравнялись. Значительное опережение сдвиже­ ния пород относительно земной поверхности началось после прохождения забоя под глубинными реперами и продолжалось над выработанным пространством в 40 - 25 метрах от линии забоя. На расстоянии 26 - 50 м позади забоя происходило затуха­ ние процесса сдвижения. Максимальные разности в скоростях сдвижения глубинных реперов и земной поверхности изменя-

лись от 29 до 40 мм/сут. Анализ величин оседания и скоростей оседаний глубинных реперов и земной поверхности показал, что процесс сдвижения толщи пород происходил согласованно, без существенных зависаний и расслоения отдельных слоев пород.

Особенности горизонтальных смещений отдельных слоев пород и земной поверхности по мере подвигания очистного забоя сводятся к следующему. Вначале, на расстоянии 10 —5 м впереди забоя, породы движутся навстречу ему, затем, после про­ хождения забоя под ними, горизонтальные подвижки изменяют свое направление на обратное. Над выработанным простран­ ством, в интервале 16 —80 м от забоя, следует повторное измене­ ние направления движения и, в конечном итоге, породы занима­ ют близкое к первоначальному положение. Наибольшие гори­ зонтальные смещения претерпевают земная поверхность и при­ легающие к ней известняки. Из остальных пород верхней части массива наиболее значительные подвижки испытывают алевро­ литы. При этом величины горизонтальных сдвижений алевроли­ тов в 2 —2,5 раза больше, чем вышележащих рыхлых слоев песка. Полученные на моделях данные о формировании максимальных горизонтальных сдвижений впереди движущегося забоя были подтверждены результатами обследования нарушенных обсад­ ных колонн эксплуатационных скважин на подземных газогене­ раторах.

Бурением контрольных скважин с отбором керна на выгазованное пространство были установлены в подработанном масси­ ве зоны с различной степенью деформации слоёв пород. Так, зона беспорядочного обрушения пород распространялась на высоту 1,5 —1,6т (т —мощность выгазованного пласта с учётом зольного остатка), а зона деформаций пород, при которых про­ исходит полное поглощение промывочной жидкости при буре­ нии скважин (зона сквозных трещин), составила 5,5 — 6 ,6м. Деформации пород с разрывом сплошности, при которых отме­ чалось временное полное поглощение промывочной жидкости (зона трещин с гидравлическим сопротивлением), были зафик­ сированы над выгазованным пространством на расстоянии

(14,4 —15,0)т. Приведенные данные дают представление о высо­ те развития зон деформаций с различной степенью нарушенности породных слоев.

Изучение структуры выгазованного пространства показало, что большая часть его заполнена породами непосредственной кровли угольного пласта. Мощность золы и шлаков составляет в основном 10 -1 6 % выгазованной мощности пласта.

Результаты лабораторных и натурных исследований позво­ лили представить механизм сдвижения пород над очистными выработками в условиях отработки пологого угольного пласта в следующем виде. При отходе очистного забоя от разрезной печи (розжигового ряда для подземных газогенераторов) и достиже­ нии выработки предельного пролета происходит обрушение пород непосредственной кровли. На этой стадии характерным является образование свода обрушений. Вслед за обрушением пород приходят в движение вышележащие слои, которые проги­ баются и вызывают сдвижение земной поверхности. Первона­ чальная стадия обрушения пород имеет место, как при шахтной выемке, так и в условиях подземной газификации углей. Даль­ нейшее развитие сдвижения пород кровли при рассматриваемых способах выемки имеет некоторые отличия.

В лавах с органной крепью породы над выработанным про­ странством смещаются в виде блоков, ширина которых опреде­ ляется шагом посадки непосредственной кровли. В лавах с меха­ низированной крепью непосредственная кровля пласта испыты­ вает прогиб с разрывом сплошности и зона обрушения пород практически отсутствует.

Другой характер деформаций пород имеет место над подзем­ ными газогенераторам. При системах выгазовывания угольного пласта с применением только вертикальных скважин после про­ работки канала газификации между скважинами розжигового ряда перпендикулярно ему создаются сбоечные каналы. По мере выгазовывания угля и увеличения ширины этих каналов проис­ ходит обрушение пород непосредственной кровли. Таким обра­ зом, при подземной газификации впереди линии фронта сплош ­

ного выгазовывания угольного пласта, образующегося при рас­ ширении канала розжигового ряда, формируются локальные зоны обрушения пород непосредственной кровли в опережаю­ щих узких каналах. В процессе подработки слои пород основной кровли прогибаются. Прогиб пород происходит без существен­ ных зависаний отдельных слоев и приводит к возникновению в верхней части породного массива над целиком угля значитель­ ных горизонтальных сдвижений. Максимальные горизонталь­ ные подвижки испытывают известняки и алевролиты.

Процесс сдвижения сопровождается появлением трещин в толще пород. При возникновении трещин над выработанным пространством возможны два случая. В первом случае глинистые породы под влиянием горного давления сомкнутся и трещины ликвидируются; во — втором случае подземные воды начнут вымывать из слоёв глинистых и песчаных пород частицы и заполнять ими трещины. Водопроницаемость трещин, запол­ ненных таким материалом, требует специального изучения. Необходимо отметить, что при подземной газификации углей развитию образовавшихся трещин способствуют высокие темпе­ ратуры (1100 —1300 °С). Горячие газы, проникающие по трещи­ нам, прогревают их стенки и изменяют пластические свойства горных пород. Развитие трещин в породах кровли угольного пла­ ста при ПГУ приводит к увеличению утечек дутьевого реагента и газа, а, в отдельных случаях, к дополнительным водопритокам в подземные газогенераторы, что отрицательно влияет на процесс газификации

3.3.3Определение контуров выработанного пространства

истепени отработки угольного пласта по данным наблюдений

за сдвижением земной поверхности

С целью определения параметров выгазовывания угольного пласта, положения в нем каналов газификации и оставшихся выработанном пространстве целиков угля разработан маркшей­ дерский метод контроля, основанный на использовании результа­ тов наблюдений за сдвижением земной поверхности. При опреде­ лении границ выгазованного пространства используются харак­

Для кривых оседаний профилей мульды сдвижения земной поверхности, когда значение д ц / дх мало, величиной (д ц / дх)2 можно пренебречь и для оценки кривизны воспользоваться зна­

Точки перегиба располагаются не только по краям мульды сдвижения, но и в центральной части, что является следствием неравномерного выгазовывания угольного пласта по мощности, в процессе газификации. Соединяя точки перегиба в централь­ ной и краевой частях мульды получают положение участков с различной степенью выгазовывания пласта.

В процессе подземной газификации, кроме установления контуров выгазованного пространства, необходимо иметь пред­ ставление о характере отработки угольного пласта и направле­ нии каналов газификации. Решение указанных вопросов позво­ ляет осуществлять текущий контроль за полнотой извлечения полезного ископаемого и регулированием технологических про­ цессов, уменьшать потери угля в подземном газогенераторе. Совместным анализом данных инструментальных наблюдений за сдвижением земной поверхности над подземными газогенера­ торами, технологических данных по режимам газификации и количеству сгазифицированного угля установлено, что сдвиже­ ние земной поверхности обуславливается характером выгазовы­ вания угольного пласта по площади и мощности. Различная интенсивность и продолжительность работ по газификации угольного пласта приводит к различиям в числовых значениях скоростей оседаний и величинах сдвижений и деформаций зем­ ной поверхности.

Качественную картину выгазовывания угольного пласта по мощности на различных участках газогенераторов можно полу­ чить, построив планы с изолиниями скоростей оседаний земной поверхности. Формирование центров максимальных скоростей оседаний поверхности за каждый период наблюдений дает пред­ ставление о местах интенсивного выгазовывания угольного пла­ ста, а направление вытянутости изолиний и их густота характе­

ризуют местоположение каналов газификации и характер отра­ ботки угольного пласта по площади и мощности за период между наблюдениями. Построив совмещённый план изолиний скоро­ стей оседаний за весь период наблюдений и оконтурив площади с постоянным интенсивным оседанием поверхности, получают ориентировочные контуры выгазованного пространства, где угольный пласт отработан наиболее полно по мощности.

Для установления контуров и характера выгазовывания угольного пласта по всей площади газогенератора строят план изолиний кривизны земной поверхности на каждую дату наблю­ дений. Используя свойство точек перегиба занимать постоянное положение относительно границ выработанного пространства, определяют внешние контуры выгазовывания. При оконтуривании целиков внутри выгазованного пространства выясняется только качественная картина отработки угольного пласта, так как положительная кривизна мульды сдвижений земной поверх­ ности будет иметь место и в случае оставления целиков и при частичном выгазовывании угольного пласта по мощности.

На рис. 3.5 дан пример определения контуров выгазованно­ го пространства по изолиниям кривизны мульды сдвижений земной поверхности на одном из подземных газогенераторов Ангренской станции «Подземгаз». Характер распределения изо­ линий кривизны свидетельствует о неравномерном выгазовыва­ нии угольного пласта по мощности. В центральной части газоге­ нератора (скв. 39 —6 в/п) угольный пласт выгазован наиболее полно по мощности сравнительно узким каналом. Участки зем­ ной поверхности с положительной кривизной мульды, располо­ женные внутри выработанного пространства, характеризуют наличие под ними целиков угля, что и было подтверждено буре­ нием контрольных скважин.

Метод определения характера выгазовывания угольного пласта по изолиниям кривизны мульды сдвижения земной поверхности позволяет осуществлять контроль за отработкой угольного пласта по площади и мощности, за местоположением целиков угля в пределах выгазованного пространства и напра-