книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках

звать значительные деформации в массиве пород и нарушение технологических скважин.

Все изложенное свидетельствует о значительном влиянии сдви­ жения горных пород и земной поверхности на процесс добычи по­ лезных ископаемых геотехнологическими методами. Технологиче­ ские параметры и специфика процесса добычи определяют формы выработанного пространства и характер сдвижения вышележащей толщи пород,-которые, в свою очередь, оказывают непосредствен­ ное влияние на стабильность ведения технологического процесса и его технико-экономические показатели. Поэтому изучение особен­ ностей сдвижения горных пород и земной поверхности при геотехнологическнх методах добычи полезных ископаемых является важ­ ным и необходимым условием для совершенствования этих мето­ дов и широкого их промышленного освоения.

5.2. ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИИ СДВИЖЕНИЯ

ГОРНЫХ ПОРОД И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Исследования сдвижения горных пород и земной поверхности при геотехнологических методах добычи полезных ископаемых проводятся с целью выяснения влияния процесса сдвижения на технологию горных работ и повышения эффективности геотехпологии, а также для охраны сооружений и земной поверхности. Наиболее полно вопросы сдвижения горных пород и земной по­ верхности изучены при подземной газификации углей.

При подземной газификации пологих и крутых угольных плас­ тов исследования проводились для решения следующих задач:

установление основных параметров и закономерностей сдвиже­ ния горных пород и земной поверхности и сравнение их с шахт­ ными;

выявление механизма поведения породного массива при отра­ ботке угольного пласта;

разработка маркшейдерских методов контроля за характером и степенью выгазовывания угольного пласта;

установление влияния сдвижения горных пород на устойчи­ вость обсадных колонн технологических скважин;

выявление механизма образования провалов земной поверхно­ сти и установление размеров угольных целиков, предохраняющих от провалов земную поверхность.

Решение поставленных задач проводилось комплексным мето­ дом, который включал в себя натурные наблюдения за сдвиже­ нием горных пород и земной поверхности, моделирование процес­ сов сдвижения горных пород и аналитические исследования.

Исследования в натурных условиях предусматривали проведе­ ние систематических наблюдений за сдвижением грунтовых и глу­ бинных реперов маркшейдерских наблюдательных станций; об­ следование обсадных колонн нарушенных скважин подземных га­ зогенераторов; вскрытие отработанных подземных газогенерато­ ров вертикальными скважинами с отбором керна и горными выра­

ботками; наблюдения за образованием провалов земной поверх­ ности над подземными газогенераторами и сбор данных об усло­ виях образования провалов на шахтах.

В отличие от маркшейдерских наблюдательных станций на шахтах, которые закладываются в виде нескольких профильных линий' на земной поверхности, грунтовые реперы маркшейдерских станций при подземной газификации углей располагаются в вер­ шинах сётки квадратов (прямоугольников), занимающей всю пло­ щадь сдвижения.

Площадная конструкция наблюдательной станции обусловле­ на необходимостью контроля выгазовывания угольного пласта по площади и мощности, так как при газификации угля контур выга­ зовывания имеет геометрически неправильную и постоянно изме­ няющуюся форму, а выгазовывание по мощности пласта проис­ ходит неравномерно.

По данным наблюдений за сдвижением грунтовых реперов строились графики оседаний, горизонтальных сдвижений и дефор­ маций земной поверхности, а также планы оседаний, скоростей оседаний и кривизны мульды оседаний земной поверхности. Они являлись исходными для построения контура выгазовывания н анализа характера отработки угольного пласта по площади и мощ­ ности.

С помощью глубинных реперов велись наблюдения за процес­ сом распространения сдвижения горных пород по глубине, уста­ навливались коэффициенты разрыхления подработанной породной толщи.

Обследование обсадных колонн нарушенных скважин произ­ водилось с помощью ориентированного спуска свинцовой «печа­ ти». При этом определялись расстояние от земной поверхности до нарушенной части колонны, характер деформации, ее величина и направление смещения обсадной колонны.

Вскрытие отработанных газогенераторов путем бурения сква­ жин с отбором керна позволило по изменению циркуляции (ин­ тенсивности и характеру поглощения) промывочной жидкости в процессе бурения, по наличию пустот (провалов бурового инстру­ мента) и нарушенности пород в керне судить о степени и харак­ тере деформаций массива и выделить в нем характерные зоны.

Вскрытие подземных газогенераторов после окончания процес­ са газификации горными выработками является очень трудоем­ ким, дорогостоящим, но наиболее достоверным методом определе­ ния характера и степени выгазовывания угольного пласта по пло­ щади и мощности, формы выгазованного .пространства, зон про­ гретых пород и угля, степени деформации толщи пород с выделе­ нием отдельных зон, формы и площади сечения каналов газифи­ кации, распределения золы и шлаков в подземном газогенераторе и т. д. Этот метод позволяет непосредственно сопоставить взаим­ ное влияние технологических приемов газификации угольного пла­ ста и сдвижения горных пород.

Моделирование процессов сдвижения горных пород при под­ земной газификации углей проводилось методом эквивалентных материалов на плоских и объемных стендах. На плоском стенде изучалось влияние оставшихся в подземном газогенераторе цели­ ков на поведение горного массива и земной поверхности, а также влияние угла падения пласта на шаг обрушения пород кровли. На объемном стенде изучалось влияние мощности пласта, разме­ ров выработанного пространства, состава толщи пород и характе­ ра сдвижения толщи пород при выемке крутых пластов по вос­ станию на величину целиков угля, при которых образуются про­ валы земной поверхности.

Изготовление и отработка моделей производились в лаборато­ рии моделирования ВНИМИ и в горно-геологической лаборатории ВНИИПромгаза. В моделях воспроизводились главные факто­ ры, от которых зависят механические процессы, происходящие в породах, окружающих горные выработки: слоистое строение гор­ ного массива, размеры выработанного пространства, направление ведения работ.

Тип и число моделей определялись в соответствии с постав­ ленными задачами. При этом соблюдалось соответствие гранич­ ных условий на внешних сторонах моделей тем условиям, которые были в натуре.

Подбор эквивалентных материалов производился по прочност­ ным характеристикам, так как изучался в основном процесс де­ формаций, разрушений и смещений хрупких слоистых пород. При моделировании слабых сыпучих пород в качестве определяющих характеристик прочности принимались сцепление и угол внутрен­ него трения.

Моделирование позволило установить влияние отдельных гор­ но-геологических и горнотехнических факторов на процесс сдви­ жения, которое очень затруднительно выявить при натурных ис­ следованиях.

Аналитические исследования предусматривали анализ законо­ мерностей и методов предрасчета сдвижения горных пород и зем­ ной поверхности при шахтной добыче угля и возможность приме­ нения их для условий подземной газификации угля.

Перечисленные задачи и методы исследований специфичны для подземной газификации углей, но многие из них применимы и при других геотехнологических способах добычи полезных иско­ паемых.

5.3.СДВИЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ

УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Практика разработки угольных месторождений методом под­ земной газификации выдвинула перед маркшейдерской наукой принципиально новую задачу, по своей постановке обратную той, которая решается в условиях шахтной выемки. Зная границы

мульды сдвижения земной поверхности, местоположение характер­ ных точек кривой оседания, распределение сдвижений по площа­ ди мульды, а также некоторые горно-геологические характери­ стики (угол падения пласта, глубину его залегания, состав покры­ вающих пород и др.)> можно определить в любой момент с до­ статочной для практики точностью положение контура выгазованного пространства, участки наиболее интенсивного выгазовывания угольного пласта и степень его извлечения по мощности.

Все эти сведения имеют важное значение в деле правильного управления процессом подземной газификации.

Эффективное решение задачи в такой ее постановке возмож­ но лишь в случае достаточно детальной изученности основных ха­ рактеристик и параметров сдвижения горных пород и земной по­ верхности в их взаимосвязи с другими факторами горнотехниче­ ского и горно-геологического характера.

Маркшейдерский метод определения положения огневого за­ боя и полноты выгазовывания угольного пласта по данным на­ блюдений за сдвижением земной поверхности, основанный на за­ кономерностях процесса сдвижения пород над выработанным про­ странством, был предложен проф. С. Г Авершиным [1]. Чл.-корр. АН СССР И. А. Турчаниновым этот метод уточнен для условий Подмосковного бассейна [43]. Для этих же условий H. Н. Кацнельсоном разработан расчетный метод определения контуров выгазованного пространства.

Выполненные методические разработки получили практическое подтверждение при газификации угольных пластов небольшой мощности на глубинах 40—60 м и при слабых породах покрываю­ щей толщи. В связи с развитием промышленных работ по газифи­ кации мощного пологого пласта Ангренского буроугольного место­ рождения проведены исследования по установлению возможности применения существующих методических положений и разработ­ ке новых приемов, позволяющих осуществлять маркшейдерский контроль за полнотой извлечения полезного ископаемого.

Ниже излагаются результаты Исследований, выполненных в аналогичных горно-геологических условиях при шахтном способе разработки и подземной газификации мощного пологого угольного пласта Ангренского месторождения.

5.3.1. Общие закономерности процесса сдвижения земной поверхности при шахтной выемке

и подземной газификации' угольных пластов

Исследования процесса сдвижения направлены на установле­ ние общих закономерностей и различий в поведении земной по­ верхности над шахтными выработками и участками газификации (подземными газогенераторами) мощного пологого угольного пла­ ста.

В задачи исследований входило: определение значений основ­ ных параметров сдвижения (углов сдвижения, максимальных осе­

даний и горизонтальных сдвижений, деформаций, продолжитель­ ности процесса сдвижения и др.), выявление местоположения ха­ рактерных точек мульды сдвижения и характера деформаций зем­ ной поверхности, а также установление возможности применения закономерностей процесса сдвижения для осуществления марк­ шейдерского контроля за некоторыми параметрами отработки угольного пласта при подземной газификации.

К участкам наблюдений предъявлялись определенные требо­ вания. Во-нервых, лавы и газогенераторы должны находиться в близких горно-геологических условиях и граничить с целиками уг­ ля, а не с выработанным пространством и, во-вторых, в лаве должна быть осуществлена выемка первого и второго слоев уголь­ ного пласта.

С учетом изложенных требований наблюдения были постав­ лены над двумя лавами и пятью подземными газогенераторами.

Юрские отложения представлены угленосной и каолиновой свитами. Мощность угленосной свиты, состоящей из чередующих­ ся слоев глин и песчаников, в пределах участков газификации со­ ставляет в среднем 10 м, в районе шахтных выработок — 27 м. Каолиновая свита имеет везде почти одинаковую мощность (35— 37 м) и сложена каолиновыми глинами, запесоченными глинами и песчаниками.

В пределах наблюдаемых участков газификации выше каоли­ новой свиты залегают меловые и сузакскне отложения, представ­ ленные песками, песчаниками и алевролитами. Суммарная мощ­ ность их составляет 38 м. Эта толща пород над лавами шахты от­ сутствует. Алайские отложения представлены известняками оди­ наковой мощности (около 18 м). В геологическом разрезе над лавами мергели туркестанского яруса отсутствуют; на участках газификации они имеют мощность около 15 м. Четвертичные от­ ложения на участках наблюдений представлены суглинками мощ­ ностью 10 и 23 м.

Лабораторные испытания показали, что большинство образцов глин и песка, слагающих .кровлю пласта, имеют предел прочности'на одноосное сжатие 1,12—1,32 МПа и менее. Наиболее креп­ кие породы (песчаник, известняк) обладают также сравнительно небольшим пределом прочности — 7,4—14,9 МПа. Известняк силь­ но нарушен трещинами’, что значительно снижает его прочность в массиве. Глубина залегания кровли угольного пласта на участках газификации 120—140 м, на шахте— 105—110 м.

Таким образом, несмотря на некоторые различия в мощности покрывающих пород, участки наблюдений находились в аналогич­ ных горно-геологических условиях.

Мощность угольного пласта на шахте составляла 18 м, угол падения — 8°. В период наблюдений пласт разрабатывался двумя слоями мощностью по 2,6—3,0 м. Система разработки в слоях — длинные столбы по простиранию. Выемка угля осуществлялась с помощью ВВ. Длина лавы— 110 м. Подвигание забоя лавы за

цикл составляло 2,4 м. Способ управления кровлей — полное об­ рушение вначале на одной половине лавы, затем на другой.

На одном из участков наблюдений выемка угля в лаве осуще­ ствлялась с применением очистного механизированного комплекса.

Мощность угольного пласта на участках газификации состав­ ляла 3—6 м, угол падения — 5° Отработка угольного пласта ме­ тодом подземной газификации производилась отдельными участ­ ками (газогенераторами), ширина которых составляла 100—200м. Вначале бурились скважины розжигового ряда и создавался очаг газификации между ними. Затем очаг горения развивался в одну или обе стороны от розжигового ряда с последовательным созда­ нием опережающих сбоечных каналов. Выгазовывание пласта про­ исходило постепенно по площади и мощности.

профильным линиям на расстоянии 10 м один от другого. Нивели­ рование реперов производилось 1 раз в месяц, измерение рас­ стояний между ними — 1 раз в три месяца.

Для частотных наблюдений, которые проводились с интерва­ лом 1—3 ч и увязывались с посадкой кровли в лаве во времени, была заложена специальная маркшейдерская станция, состоящая из двух профильных линий.

Над участками газификации грунтовые реперы располагались по квадратной (прямоугольной) сетке 15X15 м и 10X20 м или по профильным линиям в направлении подвигания огневого забоя и перпендикулярно к нему. Расстояние между реперами профиль­ ной линии составляло 15 м, менаду 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. Горизонтальные сдвижения измерялись с тем же интервалом, что и при шахтных наблюдениях.

Решение вопроса возможности определения положения огнево­ го забоя и полноты выгазовывания угольного пласта по маркшей­ дерским данным основывается на закономерностях процесса сдви­ жения, установленных при шахтной разработке угольного пласта. В связи с этим необходимо рассмотреть, какие различия физиче­ ского и горнотехнического порядка возникают при подземной га­ зификации по отношению к шахтной выемке и в какой степени эти отличия могут повлиять на изменения закономерностей сдвиже­ ния.

Ф о р м а и п е р е м е щ е н и я з а б о я . В условиях шахтной вы­ емки фронт очистного забоя имеет протяженность порядка 100 м, забой имеет прямолинейную и ступенчатую формы и перемещает­ ся параллельно самому себе.

В условиях подземной газификации угольного пласта ширина очага газификации, как правило, не меньше ширины лавы. Пере­ мещение огневого забоя может происходить не по всему фронту газогенератора с образованием криволинейной формы забоя. Од­

нако извилистость огневого забоя должна быть плавной, так как при формировании резких выступов угольного целика произойдет концентрация горного давления на них, что приведет к их разру­

угольного пласта лавами вынимаемая мощность его изменяется в относительно малых пределах. При подземной газификации эти колебания могут быть значительными в зависимости от изменения мощности угольного пласта, его зольности, наличия породных про­ слойков и неравномерного распределения зон газификации.

С т р у к т у р а вы г а з о в а н н о г о п р о с т р а н с т в а . В ус­ ловиях шахтной выемки призабойная часть лавы все время оста­ ется закрепленной. За пределами закрепленного пространства происходит полное обрушение кровли. В обрушенном пространстве лавы остается часть деревянной крепи (по данным практики, 10 % от мощности вынимаемого слоя), которую не удалось извлечь при посадке лавы.

При подземной газификации в выгазованном пространстве ос­ таются зола или шлаки, а также невыгазованные пачки угольного пласта, которые в дальнейшем могут быть частично или полностью догазованы. Объем шлаков, как показали исследования И. А. Тур­ чанинова, В. Н. Казака и других, не превышает 10—20 % (среднее

При шахтной выемке призабойная часть угольного пласта рас­ трескивается и частично выдавливается в выработку под воздей­ ствием опорного давления. Обследованием состояния крепи под­ готовительных выработок лавы было установлено, что наиболее активно горное давление действует на угольный пласт на расстоя­ нии до 10 м впереди движущегося очистного забоя.

При подземной газификации, помимо горного давления, об­ разованию трещин в призабойной части угольного пласта способ­ ствует его термическая подготовка.

Ф и з и к о - м е х а н и ч е с к и е с в о й с т в а п о р о д н е п о ­ с р е д с т в е н н о й кров ли. Породы непосредственной кровли угольного пласта при подземной газификации подвергаются тер­ мической обработке, в результате чего происходит изменение их структуры и химического состава.

Теоретическими исследованиями установлено, что прогрев по­ род за счет температуропроводности не превышает 1—2 м.

Рассматривая вопрос о влиянии указанных факторов на про­ цесс сдвижения толщи пород, необходимо отметить, что как в ус­ ловиях шахтной выемки, так и в условиях подземной газификации углей, основным определяющим фактором, обусловливающим про­ цесс сдвижения, является горное давление. Стало быть, общие за­ кономерности сдвижения горных пород как физического процесса

при подземной газификации существенным образом измениться не могут. И, действительно, наблюдения показали, что располо­ жение вертикальных и горизонтальных сдвижений, деформаций, точек перегиба краевых оседаний земной поверхности над под­ земными газогенераторами и лавами имеет один и тот же харак­ тер.

При ширине выработки около 10 м сдвижение проявлялось на земной поверхности. Частотными наблюдениями над лавами было установлено, что продолжительность распространения сдвижения горных пород от подземных выработок до земной поверхности со­ ставила 4—5 ч при первичной подработке и не превысила 1 ч при повторной. Таким образом, быстрота распространения процесса сдвижения в толще пород позволяет использовать закономерно­ сти сдвижения земной поверхности для оперативного контроля за выгазовываиием угольного пласта.

В процессе подземной газификации мощного угольного пласта выгазовывание его по мощности происходит неравномерно в пре­ делах подземного газогенератора. В зависимости от режимов га­ зификации в отдельные периоды участки интенсивного выгазовывания пласта по мощности перемещаются по всей площади газо­ генератора, поэтому земная поверхность претерпевает неодно­ кратную подработку. Этим и объясняется необходимость установ­ ления параметров и закономерностей сдвижения горных пород и земной поверхности при первичной и повторной подработках в ус­ ловиях шахтной выемки.

В результате инструментальных наблюдений над шахтными выработками было установлено, что наиболее устойчивое положе­ ние относительно контуров выработанного пространства занимают точки перегиба кривых оседаний земной поверхности, которые практически располагались над границей выработки (± 5 м). Ус­ тойчивость местоположения точки перегиба в условиях подземной газификации должна сохраняться (что и подтвердилось инстру­ ментальными наблюдениями), так как кривые оседаний земной поверхности оказались даже более плавными, чем при шахтной разработке.

Следует отметить, что огневой забой не представляет собой резко выраженной границы между выгазованным пространством и угольным целиком. Это некоторая толща термически подготов­ ленного угольного пласта, где происходят реакции газообразова­ ния. Поэтому положение точки перегиба определяется, строго го­ воря, относительно некоторой условной границы, от которой проис­ ходит прогиб пород непосредственной кровли.

В шахтных условиях между забоем и завалом сохраняется за­ крепленное рабочее пространство. Непосредственная кровля над рабочим пространством лавы дает прогиб, величина которого из­ меняется в зависимости от ряда факторов. Таким образом, в этом случае, как и при подземной газификации, процесс сдвижения рас­ пространяется от границы начала прогиба пород непосредственной кровли. Расстояние от указанной границы до целика угля в усло­

хранности вертикальных скважин, используемых при шахтной до­ быче и подземной газификации углей.

Исследования проводились применительно к условиям работы лав с органной и механизированной крепью, а также к условиям работы подземных газогенераторов. При этом были использованы результаты наблюдений за сдвижением наземных и глубинных ре­ перов в природных условиях, данные обследования нарушенных технологических скважин при подземной газификации угольного пласта, данные бурения контрольных скважин на выгазованные участки и результаты экспериментов на плоских моделях из эк­ вивалентных материалов.

Наблюдения за развитием процесса сдвижения горных пород по глубине производились с помощью глубинных реперов, зало­ женных в специальные скважины, пробуренные с земной поверх­ ности. В основу конструкции скважин с глубинными реперами были заложены принципы, описанные в работе [43]. Скважины бурились диаметром 150—180 мм и верхний их участок обсажи­ вался кондуктором. Далее скважины проходились без обсадки с отбором керна в местах предполагаемой закладки реперов. Уста­ новка глубинных реперов осуществлялась сразу же по окончании бурения и каротажа до обрушения стенок необсаженной части скважин.

Конструкция глубинного репера состоит из цилиндрического репера, стального троса и металлических полудюймовых трубок. Металлические трубки служат для защиты троса от повреждения, а также для обеспечения свободного хода его при обрушении сте­ нок скважины.

Реперы закреплялись на определенных горизонтах с помощью гравийной обсыпки и цементного раствора. После монтажа репе­ ров к кондуктору скважины приваривался кронштейн с блоками, на которые навешивались тросы глубинных реперов с противове­ сами.

Наблюдения за сдвижением глубинных реперов состояли из периодических нивелировок кондуктора скважины и определения положения меток, закрепленных на тросах реперов, относительно кондуктора. Абсолютное сдвижение глубинных реперов определя­ лось путем алгебраического суммирования величины оседания кондуктора скважины и перемещения метки.

Выявление характера деформаций породного массива в натур­ ных условиях производилось по данным обследования обсадных колонн нарушенных скважин подземных газогенераторов. Мето­ дика обследования заключается в следующем. Вышедшая из строя скважина отключается от коммуникаций и измеряется хлопушкой глубина образования в ней пробки. При необходимости произво­ дится чистка и промывка скважины. Затем осуществляется ори­ ентированный спуск «печати». На скважине устанавливается бу­ ровой станок и к нижней части буровой трубы прикрепляется де­ ревянный цилиндр длиной 0,3—0,5 м (диаметр его на 2—3 см меньше диаметра обсадной колонны скважины) со свинцовой пла-