книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках

сдвижения и стадии затухания при первичной и повторной подра­ ботке толщи пород. В условиях шахтной разработки величина ко­ эффициента для условий первичной подработки составила 0,65. Эта величина характеризует отношение объема мульды оседаний земной поверхности к объему выработанного пространства в про­ цессе перемещения очистного забоя лавы со скоростью 1,5— 1,8 м/сут. После затухания процесса сдвижения среднее значение коэффициента оказалось равным 0,73.

При повторной подработке и той же скорости перемещения очистного забоя среднее значение коэффициента £к = 0,83. Разли­ чия в величинах коэффициента kv в процессе сдвижения и после его затухания при повторной подработке весьма незначительны

(0,01— 0,02).

Стабилизация приведенных значений коэффициента kv насту­ пала при ширине выработанного пространства D^- (0,7-^0,8)D0 (D0— пролет, обеспечивающий полную подработку земной поверх­ ности) .

В условиях подземной газификации объем мульды оседаний определяли по данным маркшейдерских наблюдений, количество выгазованного угля — по объему полученного газа и содержанию углерода в нем.

Объем зольного остатка V3, по данным бурения скважин с от­ бором кериа из выгазованного пространства, составляет в сред­ нем 13 % от сгазифицированного угля. Зольный остаток при под­ земной газификации, так же как и оставшийся крепежный лес в лаве, учитывался при определении объемоввыработанного про­ странства.

Необходимо отметить, что среднее значение коэффициента для участков газификации, где выгазовывание угля осуществлялось сплошным широким фронтом, близко к условиям шахтной выемки и первичной подработки земной поверхности Л/=0,64. На участ­ ках с преобладанием отдельных каналов газификации значение коэффициента не превышало 0,45. Расхождение в значениях ко­ эффициента kv' вызвано в основном различием в конфигурации выгазованного пространства. Известно, что устойчивость кровли зависит от формы и размеров обнажений. После того как будут достигнуты предельные размеры выработки, происходит обруше­ ние пород непосредственной кровли и развитие сдвижений в вы­

шележащей толще.

При шахтной выемке угля образуется сплошное выработанное пространство, которое заполняется обрушенными породами и вы­ зывает формирование (или изменение) мульды оседаний земной

поверхности.

В условиях подземной газификации кроме основной площади сплошного выгазовывания образуются узкие каналы, в пределах которых один из размеров меньше предельного устойчивого про­ лета. Выгазовывание угля на таких участках не проявляется на земной поверхности или проявляется незначительно. Количество выгазованного угля в узких каналах может быть определено толь­

ко путем пересчета полученного газа; маркшейдерский метод в этом случае дает заниженные результаты.

Итак, зная объем мульды оседаний земной поверхности Ум>. объем выгазованного угля Vy (по технологическим данным), объ­ ем зольного остатка и шлаков У3 (для §нгренских углей и углей некоторых месторождений Подмосковного бассейна У3=1 3 % от сгазифицированного угля) и значение коэффициента kv при шахт­ ной отработке, можно установить, насколько обеспечивается пол­ нота выгазовывания угольного пласта по площади в подземных газогенераторах с различными системами газификации.

При условии сплошного подвигания фронта огневых работ по­ лученная взаимосвязь между объемом мульды оседаний земной по­ верхности и объемом выработанного пространства позволяет оп­ ределять количество выгазованного угля:

(5.7)

Предельную погрешность объема мульды оседаний земной по­ верхности, определяемую методом объемной палетки, можно вы­ числить по формуле [36]

(5.8)

где 0,3 — точность определения тр по изолиниям; п — число точек палетки в пределах подсчитываемого контура; N4 — число репе­

ров, по которым построены изолинии в пределах контура; т ч — погрешность определения оседания одного репера; t — коэффици­ ент вероятности, определяемый по формуле Лапласа—Ляпунова:

(5.9)

Зависимость значения t и вероятности В для различных t при­ ведена, например, в книге [36].

При погрешности отсчитывания по нивёлирной рейке т 0 = = ±1 мм и приняв во внимание, что оседание репера определяет­ ся в результате повторных наблюдений, получим:

т п = ± m 0 Y 2 = ±1,4 мм.

Так, например, погрешность вычисления объема мульды оседа­ ний 1/м = 87 000 м3 с вероятностью 0,95 при расположении репе­ ров по сетке 15X15 м составила 4,3 %.

Объем извлеченного угля в лаве определяется с предельной погрешностью 3—5 %.

5.3.4. Влияние сдвижения горных пород на деформацию обсадных колонн эксплуатационных скважин

В процессе подземной газификации угольных пластов, как и при других подземных способах выемки с обрушением кровли,

лроисходит перераспределение напряжений в окружающих выгазованное пространство породах. При шахтной выемке это пере­ распределение напряжения учитывается в связи с необходимостью поддержания призабойного пространства в лавах в рабочем со­ стоянии, обеспечения сохранности наземных сооружений и гор­ ных выработок, расположенных в зоне влияния очистных работ.

Не меиее важное значение это имеет при подземной газифи­ кации, так как основной элемент подземного газогенератора — эксплуатационные, а также контрольные и другие специальные скважины длительное время должны быть пригодны для эксплуа­ тации. Оценка влияния проявления горного давления на обсад­ ные колонны скважин приобретает практическое значение при раз­ работке конструкций подземных газогенераторов и оказывает большое влияние иа эффективность и экономичность работ по под­ земной газификации.

Длительный опыт эксплуатации скважин показывает, что на тех глубинах, на которых в настоящее время ведутся работы по подземной газификации углей (до 350 м) в различных горно-гео­ логических условиях, обсадная колонна, не испытывающая влия­ ния подработки, не нарушается.

При выемке угля на значительной площади нарушается равно­ весие пород, начинается их перемещение в выгазованное простран­ ство, в результате чего обсадная колонна скважины испытывает неравномерные по длине нагрузки. Величина и характер этих на­ грузок определяются вынимаемой мощностью пласта, прочностны­ ми характеристиками пород кровли и расположением скважины относительно выгазованного пространства.

При неглубоком залегании угольного пласта (около 30—50 м) и относительно небольшой его мощности (2—3 м) в условиях Под­ московного бассейна сдвижение горных пород не оказывала суще­ ственного влияния на устойчивость скважин. С увеличением глу­ бины залегания и мощности отработанного пласта сохранность об­ садных колонн скважин в значительной мере зависит от особенно­ стей сдвижения подработанного породного массива. Установлено [23], что при подземной газификации угольного пласта в усло­ виях Ангренского месторождения значительное число скважин вы­ ходит из строя в процессе эксплуатации (или до сдачи' их в эк­ сплуатацию) из-за нарушения обсадных колонн под воздействием сдвижения горных пород.

Определение положения внешнего контура выгазованного про­ странства в плане по данным наблюдений за оседанием земной поверхности позволило более детально рассмотреть причины преж­ девременного выхода из строя скважин. При анализе использова­ ны результаты обследования нарушенных скважин и данные марк­ шейдерских наблюдений на участках газификации.

Ç целью выявления закономерностей нарушения скважин в ка­ честве исходных были взяты данные, характеризующие положение места обрыва обсадной колонны относительно контура выгазовывания в плане d и относительно кровли угольного пласта по высо-

те Н. Было установлено, что наиболее часто (75%) нарушение скважин происходило на расстоянии 50—90 м от кровли угольного пласта и в 20—35 м впереди движущегося огневого забоя. Вторая группа скважин (25%) претерпевала деформации в интервале 10—47 м от кровли пласта и в 8—20 м от контура выгазовывания.

Обследование обсадных колонн нарушенных скважин ориенти­ рованным спуском «печати» показало, что смещение верхней ча­ сти колонн скважин первой группы происходило навстречу дви­ жущемуся забою. Все скважины первой группы были нарушены на контакте относительно крепких и слабых пород. Большинство обсадных колони деформировалось в слабых песчаниках под из­ вестняками, часть скважин была нарушена на контакте алевроли­ та с песчаником. В первом случае мощность песчаника под из­ вестняками составляла 5 м и более, во втором случае — не превы­ шала 3 м. Таким образом, известняк, разделенный с алевролитом сравнительно мощным слоем песчаника, в процессе сдвижения пе­ ремещается отдельно от алевролита и деформация скважин проис­ ходит на контакте между ними. Если же мощность песчаника не превышает 3 м, то известняк с алевролитом смещаются как один слой и максимальные деформации обсадных колонн имеют место на контакте алевролита с нижележащим слоем .песчаника.

Нарушение скважин на расстоянии 20—35 м впереди движу­ щегося забоя объясняется следующим. Как показали результа­ ты натурных наблюдений и моделирования, в этом интервале фор­ мируется зона максимальных горизонтальных деформаций зем­ ной поверхности. С определенной степенью приближения эти дан­ ные могут быть приняты для слоя известняка, расположенного вблизи земной поверхности.

Согласно механизму поведения пород максимальные верти­ кальные перемещения породный массив претерпевает над центром выработанного пространства; горизонтальные сдвижения сосредо­ точены в верхней части толщи пород, примыкающей к выработан­ ному пространству в плане. По мере удаления в глубь массива горизонтальные сдвижения затухают. С учетом изложенного ста­ новится очевидным, что рассматриваемая группа скважин была выведена из строя в результате горизонтальных сдвижений горных пород.

С применением методов математической статистики найдено уравнение связи между d и Н, позволяющее определять зону наи­ более опасных деформаций породной толщи впереди движущегося забоя:

Практическое применение формулы (5.10) сводится к следую­ щему. Зная местоположение отдельных слоев крепких пород от­ носительно кровли угольного пласта, т. е. значение признака Н, можно определить расстояние впереди движущегося сплошного забоя d, на котором следует ожидать деформации обсадных ко­ лонн скважин.

Скважины второй группы, получившие деформации обсадных колони на расстоянии 8—30 м от границы сплошного фронта выгазовывания, в отличие от скважин первой группы находились в районе газификации угольного пласта локальными узкими кана­ лами.

Характер распределения вертикальных и горизонтальных со­ ставляющих сдвижения над выемочными каналами получен на мо­ делях. При отработке угольного пласта над каждым каналом об­ разуется зона беспорядочного обрушения, породы смещаются по нормали. Развитие оседаний вызывает горизонтальные перемеще­ ния слоев пород со стороны целиков, расположенных между кана­ лами.

Распределение участков деформаций скважин по глубине об­ уславливается параметрами сдвижения, которые, в свою очередь, зависят от пролета выработки, выгазованной мощности и струк­ турного строения породной толщи. Влияние структурного строе­ ния толщи пород подтверждено данными обследования нарушен­ ных скважин. Например, если породы представлены слоем као­ линовых глии с одним прослоем песчаника (до 2 м), то деформа­ ция происходит в районе кровли или почвы каолиновой толщи.

'В случае увеличения мощности песчаника до 4—5 м (при наличии нескольких прослоев песчаника) деформации обсадных колонн фиксировались в каолиновой толще на контакте с песчаником.

Совместный анализ результатов обследования нарушенных скважин, данных моделирования и геологического строения тол­ щи пород позволил сделать выводы, что деформация обсадных колонн скважин второй группы вызвана вертикальными сдвиже­ ниями пород над отдельными каналами газификации.

5.4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОВАЛОВ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ КРУТЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

5.4.1. Задачи и методика исследований

Одной из особенностей проявлений горного давления при раз­ работке крутых пластов с обрушением кровли является образова­ ние провалов земной поверхности. Провалы способствуют прорыву воды и глин в подземные выработки, нарушают систему провет­ ривания горных выработок, не позволяют рационально использо­ вать земную поверхность.

При подземной газификации крутых угольных пластов образо­ вание провалов нарушает герметичность подземных газогенерато­ ров, что приводит к большим утечкам дутья и газа н к наруше­ нию технологии производства работ. Поэтому возникает особая необходимость выяснения условий образования провалов и предрасчета размеров целиков, предохраняющих от провалов земную поверхность.

Исследованиями условий образования провалов при шахтной добыче угля занимались многие исследователи [5, 16, 18]. Одни, изучая сдвижение земной поверхности, не связывали его со сдви­ жением всего массива, другие — изучали процесс образования провалов в той мере, которая им была необходима для решения других задач.

Ниже приведены результаты исследования условий образова­ ния провалов в Прокопьевско-Киселевском районе Кузбасса, где разрабатываются сближенные крутые угольные пласты, характе­ ризующиеся большим разнообразием условий залегания и -техно­ логии выемки.

Исследования были направлены на установление влияния от­ дельных горно-геологических, горнотехнических факторов и сте­ пени деформации горных пород над выработанным пространством на условия образования провалов.

Характер взаимодействия нагрузок на целик, оставленный вблизи земной поверхности при отработке крутых пластов, изу­ чался с помощью экспериментальных методов.

Вначале проанализированы данные о размерах провалов, ме­ сте и времени их образования при отработке угольных пластов различными системами на верхнем горизонте для учета влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на образование провалов. Затем поставлены наблюдения за образованием прова­ лов на участке газификации угля, где велись инструментальные наблюдения за сдвижением земной поверхности в процессе отра­ ботки газогенераторов и проанализированы данные по сдвижению глубинных реперов, заложенных в толще пород в районах образо­ вания провалов, а также результаты вскрытия подземными выра­ ботками газогенератора. Такой анализ позволил выявить связь между деформациями пород над выработанным пространством и деформацией поверхности с образованием на ней провалов.

Бурение вертикальных скважин на выгазованное пространство на отработанных газогенераторах производилось с целью опреде­ ления характера и степени деформации горных пород в массиве при различной мощности пласта и определения размеров уголь­ ных целиков, при которых образовались провалы.

Исследования на объемных и плоских моделях из эквивалент­ ных материалов (гипсобетонные смеси) позволили выявить эле­ менты процесса образования провалов, которые невозможно на­ блюдать в природных условиях из-за наложения влияния различ­ ных факторов друг на друга.

При исследовании процессов разрушения и деформации гор­ ных пород под действием сил тяжести определяющим критерием подобия, как это показано Г. Н. Кузнецовым [14], можно принять

где F — средний показатель физико-механических свойств пород (предел прочности на сжатие, изгиб и т. д.); у — плотность пород; L — некоторый линейный показатель массива горных пород (глу­

бина разработки, мощность слоев непосредственной кровли

и т. д.).

Учитывая особенности развития процессов разрушения слоис­ той толщи при крутом падении слоев, подбор эквивалентных ма­ териалов производился по пределам прочности пород при сжатии и растяжении.

Геометрическое подобие слоистых массивов должно включать подобие основных горно-геологических параметров:

шение слоев при изгибе и их сползание, необходимо соблюдать следующие условия подобия для сцепления и углов трения по кон­ тактам слоев:

См = 1кумСи/1„уи;

(5.13)

tgCpM= tg ф„.

В соответствии с принятыми критериями подобия моделирова­ лись следующие условия: пределы прочности пород на сжатие и растяжение соответственно'стСж = 204-40 МПа и аР=2,0-4-4,5 МПа;

ния пласта составлял 30—60°, tg(p=0,54-0,6; сцепление не моде­ лировалось (что идет в запас прочности); мощность толщи пород в кровле угольного пласта рассчитывалась с учетом угла сдвижения пород со стороны висячего бока пласта 0= 35°

Выемка производилась по восстанию путем подвижки деревян­ ных планок, с помощью которых создавался контур обнажения.

Исследования заключались в изготовлении и испытании серий объемных и плоских моделей в масштабе 1 100 в лаборатории мо­ делирования ВНИМИ по существующей технологии на имеющем­ ся оборудовании. Всего было изготовлено и отработано 18 объем­ ных и 8 плоских моделей.

Цель экспериментов считалась достигнутой, если характер об­ разования провала на модели соответствовал характеру образова­ ния провала на участке газогенератора, где проводились наблюде­ ния за сдвижением глубинных реперов и вскрытие газогенератора горными выработками.

На объемных моделях изучалось влияние следующих факторов на образование провалов: размеров выработанного пространства по простиранию угольного пласта, мощности угольного пласта и физико-механических характеристик толщи пород.

Характер деформации толщи пород в процессе отработки мо­ дели фиксировался с помощью глубинных реперов и марок, зало­

женных в различные слои толщи, и уточнялся путем послойной разборки модели после ее отработки.

Глубинные реперы представляли собой диски с делениями, на ось которых надета нить с пружинкой, закрепленной в слое мо­ дели. Точность измерения составляла 0,1 мм.

По данным наблюдений за сдвижением .глубинных реперов строились графики, позволяющие судить о характере и степени де­ формации слоев в модели.

Данные о размерах зон деформации и целиков, при которых образовались провалы на модели, сопоставлялись с такими же данными в натуре.

5.4.2. Влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на образование провалов

Исследования условий образования провалов при шахтной до­ быче угля показали, что на форму, размеры, место и время обра­ зования провалов влияют следующие факторы: мощность уголь­ ного пласта и глубина разработки, угол падения пласта, мощ­ ность наносов, физико-механические свойства и состав толщи гор­ ных пород, система разработки, сближенность пластов, размер ос­ тавляемых целиков.

Результаты этих исследований недостаточны для прогнозиро­ вания образования провалов при подземной газификации углей, где имеются свои особенности, связанные с технологией ведения работ. Так, исследования веяния мощности пласта и глубины разработки на образование провалов показали, что с увеличением мощности пласта увеличивается глубина разработок, при которой образуются провалы. В то же время изучение поведения вмещаю­ щих пород при разработке крутых пластов указывает на разный характер поведения боковых пород в зависимости от мощности пласта, который в основном и определяет возможность и условия образования провалов.

При подземной газификации крутых пластов огневой забой движется по восстанию и размеры газогенераторов могут быть гораздо больше размеров шахтных выемочных полей. По данным Е. В. Куняева, провалы в Прокопьевско-Киселевском районе Куз­ басса образуются при разработке всех без исключения пластов на верхних горизонтах системами с обрушением кровли, мощность наносов составляет при этом 5—30 м, иногда достигая 50—55 м. Поскольку такая мощность наносов не препятствует образованию провалов при мощности пласта свыше 1 м, влияние наносов мож­ но не учитывать.

Влияние расстояния между угольнымй пластами на характер видимых деформаций поверхности заметно при разработке весьма сближенных пластов. Провалы, образующиеся над Выходами плас­ тов, залегающих в непосредственной близости друг от друга, не­ редко имеют общий контур. Выемка одного такого пласта иногда вызывает углубление провалов над соседними пластами.

Особое значение сближенность угольных пластов имеет при подземной газификации свиты пластов, когда необходимо обеспе­ чить непроницаемость толщи пород в верхней части до полной га­ зификации всей свиты.

Таким образом, недостаточно изученными и наиболее сущест­ венными факторами, от которых зависит характер поведения тол­ щи пород при газификации крутых пластов и его влияние на об­ разование провалов земной поверхности, являются: угол падения и мощность пласта; физико-механические характеристики пород и угля и состав породной толщи, размеры выработанного простран­ ства и направление подвигания забоя, а также сближенность плас­ тов свиты.

Углы падения угольных пластов оказывают влияние на распо­ ложение зоны провалов. При отработке верхних горизонтов зона провалов со стороны лежачего бока пластапри углах падения до 75° ограничивается линией, проведенной от выхода под наносы почвы пласта под углом 75°, а со стороны висячего бока — верти­ кальной линией, проведенной через нижнюю границу очистной вы­ работки. При углах падения больше 75° ширина зоны провалов вкрест простирания пласта равна приблизительно пятикратной мощности пласта.

Граница зоны провалов по простиранию пласта не зависит от угла падения пласта, ею является отвесная линия, проведенная от

преимущественно при углах падения пласта 83—90° Образование провалов связано с возможностью скатывания об­

рушенных пород по падению пласта, в результате чего в верхней части выработки создается свободное пространство, что делает возможным образование провала.

Скатывание обрушенных пород по падению возможно прн ус­

где а — угол падения пласта; f' — коэффициент трения движения обрушенных пород по почве пласта.

В условиях Кузбасса скатывание наблюдается при а = 31н-35°, если f' = 0,7-f-0,8.

По данным Е. В. Кунаева и К- А. Ардашева, интенсивный пе­ репуск обрушенных пород происходит при углах падения 40—50° В связи с этим в процессе исследований рассматривалось заполне­ ние выработанного пространства породой из провалов при раз­ личных углах падения пласта. С использованием способа наимень­ ших квадратов найдена зависимость коэффициента заполнения вы­ работанного пространства породой из провалов Р (отношение объ­ ема провала к объему выработки в процентах) от угла падения пласта а

Из формулы (5.15) следует, что заполнение выработанного про­ странства породой из провалов при отработке верхнего горизонта возможно при углах падения свыше 30°

По данным образования провалов на шахтах Кузбасса рас­ сматривалось смещение центров провалов от выхода пласта под наносы в сторону висячего бока. Установлено, что при различных системах разработки, мощности пласта и устойчивости пород кров­ ли с увеличением угла падения пласта смещение провалов в сто­ рону висячего бока пласта уменьшается. Указанная зависимость объясняется тем, что с увеличением угла падения уменьшается вы­ сота зоны обрушения, которая зависит от устойчивости слоев кровли.

Известно, что устойчивость боковых пород при прочих равных условиях зависит от угла падения пласта (при отсутствии или слабом развитии в слоях кровли кососекущих трещин). Согласно

любых размеров не влияет на размер другого параметра b (шири­ ны), при котором происходит обрушение.

В свете высказанных соображений рассматривалось изменение k* = lajl0 (/а — шаг обрушения кровли при углах падения а). При /о < с ^ 2 /0 влияние угла падения пласта на изменение устойчивого предельного пролета кровли можно представить выражением

10< а ^ 2 1 0 (т. е. если на устойчивость обнажения оказывают влия­ ние целики по контуру защемления) величина предельного про­ лета увеличивается с увеличением угла а и по своей абсолютной величине больше, чем при а>210. Кроме того, увеличение устойчи­ вого пролета происходит также в интервале 0—30°, в то время как при а > 2 /0 этого явления практически не наблюдается.

Таким образом', с увеличением угла падения увеличивается ус­ тойчивость слоев кровли, что, с одной стороны, способствует ин­ тенсивности перепуска обрушенных пород в нижнюю часть выра­ ботанного пространства и образованию провалов, с.другой сторо­ ны, ограничивает размеры зоны провалов, так как уменьшает вы­ соту зоны обрушения.

Общий характер влияния угла падения пласта на размеры пре­ дохранительных целиков будет рассмотрен в разделе 5.4.4.

Осадочные породы, слагающие угленосные толщи, независимо от условий залегания состоят из перемежающихся мощных (до нескольких десятков метров) пластов песчаников, алевролитов'и аргиллитов, которые имёют четко выраженную слоистую текстуру.

От мощности слоев, на которые расслаивается толща пород, в