Исследование горного массива отработанных шахт

Исследование горного массива отработанных шахт

Исследование горного массива отработанных шахт

А. В. САДЧИКОВ, к. т.н., М. В. ПОНОМАРЕВА, к. т.н., М. П. ТАЛЕРЧИК, к. т.н., Карагандинский государственный технический университет, кафедра ГРМПИ

Ключевые слова: аналитическое моделирование, напряженно-деформированное состояние, технология, приконтурный массив, горная порода, крепление горных выработок.

Р

азвитие Карагандинского угольного бассейна началось в 30-х годах XX века. За время существования бассейна была отработана большая площадь. В объёме это выражалось миллионами тонн угля и горной массы.

При эксплуатации шахт возникает необходимость ликвидации отработанной части пространства. В этой части остаётся угольная и породная масса, которая по разным причинам не разрабатывается.

С созданием в бассейне в 1931г. треста «Карагандауголь» до конца XX века были отработаны и закрыты около 50 малой и средней мощности угольных шахт. До 1950-60гг. шахты разрабатывали уголь в зонах выветривания, и закрытие их не имело серьёзных последствий и не оказывало влияния на безопасность зданий, сооружений и жилых домов, располагающихся на горных отводах шахт. Дальнейшая добыча угля в бассейне связана с углублением шахт, что приводит к необходимости решения различных задач, одна из которой – состояние горного массива ликвидированных блоков шахт.

После остановки шахты в недрах отработанного пространства остаётся много пустотного пространства. Со временем происходит оседание кровли отработанного массива и в вышележащих породах образуются трещины. Горный массив разубоживается, образуются трещины и его прочностные свойства изменяются. Одним из показателей прочностных свойств является плотность.

Плотность горных пород определяется по формуле:

       с = m / v, г/см3,        (1)

где с – плотность породы;

m – масса породы;

v – объём породы.

Физико-механические свойства горных пород Карагандинского угольного бассейна приведены в таблице.

Физико-механические свойства вмещающих пород в Карагандинском бассейне

Порода	Предел прочности, МПа	Пористость, %	Влажность, %	Плотность, г/см2
на сжатие	на растяжение
Карагандинская свита
Песчаники	32,7-63	2,7-5	9-14	3,1-4,7	2,49-2,56
Алевролиты	22,7-45	1,5-2,6	11,1-29,6	3,4-5,5	2,35-2,52
Аргиллиты	13,7-34,1	0,9-2	1,5-19,3	4-6,7	2,22-2,48
Долинская свита
Песчаники	20,8-58,1	1,9-4,3	8,7-16,9	3,2-6,2	2,31-2,51
Алевролиты	15,3-42,2	0,9-2,5	10-19,9	3,6-8	2,25-2,50
Аргиллиты	11,3-30,9	0,7-1,6	10,9-22,7	4,2-11	2,20-2,46

При выемке угля масса горного массива уменьшается, а его объём какое-то время остаётся неизменным. Из формулы (1) видно, что плотность горного массива будет уменьшаться и это создаёт условие для перемещения в нём газа.

Газ со временем начинает заполнять трещины, образованные в горном массиве, т. е. газ начинает дренировать вверх и заполнять всё пространство горного массива, с образованием коллектора газовой смеси. Вся аэрологическая система газового коллектора находится в определённом состоянии, а именно происходит накопление газа и дренирование его на дневную поверхность [1]. Этому способствует разветвлённая вентиляционная сеть отработанного пространства и места выхода рудничной атмосферы на дневную поверхность, в скважины, ликвидированные стволы и наклонные горные выработки, имеющие связь с поверхностью (рисунок 1).

В горном массиве имеется множество водных источников (подземные реки, озёра и др.). При разработке полезного ископаемого воды этих источников попадают в отработанное пространство, и горные предприятия, ведущие добычу, откачивают эту воду из горных выработок. При ликвидации шахт эти подземные воды заполняют отработанное пространство, которое со временем заполняется газом метаном и подземными водами. Вода перекрывает существующие пути миграции газа. В дальнейшем давление газа в пустотах отработанного массива нарастает, и газ стремится на дневную поверхность через различные трещины, провалы, нарушения и т. д. в местах, не подконтрольных человеку (рисунок 2) [2].

Рисунок 1– Схема дренирования газа на дневную
поверхность

Рисунок 2 – Схема проникновения газа на дневную поверхность

Так, метан высокой концентрации (свыше 6 %) из ликвидированного скипового ствола бывшей шахты №37, расположенного на территории жизненно важного для города объекта ТЭЦ-1, стал беспорядочно растекаться по трубным каналам и земной поверхности. При этом любой источник огня мог спровоцировать взрыв газа или его возгорание. В 2001 году произошло возгорание метана вокруг этого ствола, обошлось без жертв.

Удалось избежать катастрофы путём своевременного сноса жилого дома, построенного недалеко от восточной пограничной сбойки пласта К4 бывшей шахты №48, из которой в подполье выделялся метан концентрацией 1,5-2 %.

В районе Тихоновской автобазы, расположенной вдоль автомобильной трассы Караганда – Темиртау, в устье западной сбойки №3 шахты «Кировская» построена автозаправочная станция. Вокруг этой заправочной на поверхность из земли начал выделяться газ метан.

Со временем плотность целиковой массы отработанного горного массива увеличивается из-за его посадки, так как при посадке объём массива уменьшается, а масса остаётся неизменной и этот фактор затрудняет процесс миграции газа на поверхность, поэтому прогноз тектонического строения и состояния массива горных пород является важной составляющей рационального планирования и проведения различных видов работ на поверхности ликвидированных участков.

Разведочная геофизика является наиболее эффективным способом прогноза горно-геологических условий как по стоимости работ, так и по полноте получаемой информации.

Основным способом повышения однозначности и полноты геофизического прогноза является комплексирование различных геофизических методов и колонкового бурения.

В 2007 году в УкрНИМИ проводилась работа по изучению геофизических полей на подработанных и неподработанных территориях. Экспериментальные исследования были выполнены на участке поля шахты «Днепровская». Целью исследований на данном участке было уточнение тектонического строения угленосного массива горных пород, а также оценка напряжённого состояния пород и подтопления шахтного поля.

Для решения поставленных задач выбраны следующие геофизические методы: сейсморазведка методом отражённых волн в модификации общей глубинной точки (МОГТ), сейсморазведка корреляционным методом преломлённых волн (КМПВ), а также бесконтактный метод регистрации естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) [3].

Геофизические исследования были проведены с привлечением полной геологической информации об участке исследований. Результаты исследований представлены на рисунке 3.

Часть профиля пройдена над отработанными угольными пластами. В подработанном интервале разреза отмечаются характерные изменения акустических свойств. Скорости продольных волн в породах карбонового возраста и песках бучакской свиты падают до значений 2300 м/с и 1600 м/с соответственно.

По-видимому, в этих слоях проявилось разрушающее воздействие подработки.

В неогеновых глинах скорость продольных волн повышается до значений 1700-1800 м/с, что свидетельствует об их обводнении.

Наблюдается повышение скорости продольных волн до значения 900 м/с в приповерхностной песчаной линзе, что также указывает на её повышенную влажность по сравнению с линзой песка в начале профиля № 1, где скорость продольных волн имеет значение 860 м/с.

скорости продольных сейсмических волн:
V2 – в отложениях Q, V3 – в глине N,
V4 – в отложениях Pg, V5 – в породах карбона

Рисунок 3 – Результаты исследований КМПВ
по профилю 1 на участке поля шахты «Днепровская»

Кроме того, над отработанным пространством угольных пластов С8 и С10 повышается уровень верховодки до 2-5 м по сравнению с глубиной 10-20 м на остальной части профиля.

Наблюдается влияние отработки угольных пластов С10 и С8, имеющих практически совпадающие в плане контуры отработки, на изменение акустических параметров сейсмогеологического разреза. В подработанном массиве прочностные свойства пород карбона и водоупора над бучакскими песками снизились, что отразилось в уменьшении скорости продольных сейсмических волн. В результате разупрочнения и увеличения трещиноватости породного водоупора над бучакскими песками напорные воды этого горизонта начали интенсивно подпитывать вышележащие водоносные горизонты в отложениях киевской и харьковской серии пород.

Комплексный анализ результатов сейсмических и электромагнитных исследований участка поля шахты «Днепровская» показал, что оба эти метода хорошо подтверждают и дополняют друг друга при прогнозе тектонической структуры и напряжённого состояния массива пород.

Исследования показали, что самостоятельное использование метода ЕИЭМПЗ для прогноза трещиноватых обводнённых зон в подработанном массиве горных пород недопустимо, так как одна из составляющих общего потока импульсов естественного электромагнитного поля может исказить воздействие тре-щиноватости и обводнения на общую величину плотности потока [3].

Сейсмические методы КМПВ и МОГТ дают достаточно полную картину повышенной трещиноватости и обводненности пород в подработанном массиве, но не могут без привлечения метода ЕИМПЗ объяснить возможное аномальное увеличение энергии отражённых волн на подработанном интервале сейсмогеологического разреза.

Показано, что в слоистых средах, представленных чередованием песчаных и глинистых пород, в напряжённом состоянии энергия отражённых волн выше, чем в спокойном разгруженном состоянии.

Было установлено, что величина амплитуды смещения пликативных и дизъюнктивных нарушений не влияет на значение плотности потока импульсов ЕИЭМПЗ. Степень уменьшения значений поля ЕИЭМПЗ больше зависит не от амплитуды нарушения, а от степени трещиноватости пород и ширины зоны влияния нарушения [4].

Выявленные закономерности повышают однозначность и достоверность горно-геологического прогноза.

Таким образом, комплексирование методов сейсморазведки КМПВ, МОГТ и электроразведочного метода ЕИЭМПЗ позволяет исследовать тектоническое строение и нарушенность угленосного массива, а также качественно оценивать напряжённое состояние пород, что представляет практический интерес для разработки мероприятий по изучению их свойств.

Из результатов исследования видно, что горный массив дифференцируется по видам горных пород. Каждой горной породе соответствуют определённые геофизические параметры, т. е. с помощью геофизических исследований мы можем в дальнейшем определить значения плотности. Это даст возможность определить интервал времени опускание горного массива, после чего плотность пород будет иметь значения, близкие к их первоначальным (природным), и дренаж газа на дневную поверхность будет невозможен.

В начале 2000-х годов в Карагандинском угольном бассейне на полях ликвидированных шахт бурились вертикальные скважины – экспериментальные скважины №1 и №3, газодренажные скважины №2 и №4. Результаты показали, что значения плотности вмещающих угольных пород следующие: аргиллиты – 1,9-2,0 г/см3; алевролиты 2,1-2,2 г/см3; песчаники 2,2-2,3 г/см3.

Всё это говорит о том, что со временем происходит уплотнение горных пород отработанного пространства и дальнейшие исследования необходимы для изучения тенденции уплотнения горного массива.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

, , Исследования условий формирования газовой опасности на горных отводах ликвидированных шахт Кузбасса // Безопасность угольных предприятий: Сб. научных трудов / ВостНИИ. – Кемерово, 2000. С.18-25. , , К вопросу определения факторов, влияющих на выделение метана на поверхность из ликвидированных шахт // Труды Международной научной конференции КарГТУ. Выпуск 2. Караганда, 2003. 146-148 с. , , и др. Многоволновые сейсмические исследования угольных месторождений Донбасса. – Киев: Наук. думка, 1990. – 132 с. , , Использование шахтной сейсморазведки для прогноза зон повышенного горного давления на отрабатываемых угольных пластах Донбасса // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. – Донецьк, 2007. – №1. – С. 69-81.