CC BY
40
© Е.А. Ельчанинов, И.В. Головко, 2007
УДК 622.272:502/504
Е.А. Ельчанинов, И.В. Головко
ФОРМИРОВАНИЕ ВТОРИЧНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ ПОСЛЕ ЛИКВИДАЦИИ ШАХТ
Семинар № 10
В настоящее время возникло новое понятие «восстановление» нарушенных горными работами подземных водоносных горизонтов на ликвидированных и закрытых угольных шахтах. На наш взгляд фактически происходит не восстановление нарушенных водоносных горизонтов, а формирование вторичных водоносных горизонтов с новыми параметрами. Такое восприятие обусловлено тем, что геологическое строение нарушенного массива пород значительно отличается от первоначального, которое было до начала отработки полезного ископаемого.
Рассмотрим процесс последовательно. На первоначальное формирование подземного водоносного горизонта влияют: атмосферные осадки, рельеф местности, фильтрация воды из поверхностных водотоков и водоемов, состав покровных пород и их фильтрационная способность, степень обнаженности коренных пород и их литологический состав, изменение водопроницаемости пород, тектоника района и формы древнего погребенного рельефа. Следовательно можно утверждать, что количество воды, содержащееся в подземных водоносных горизонтах, обусловливается рядом естественных факторов, влияющих на обводнение водоносных горизонтов неодинаково. Например, сезонные поступления воды значи-
тельны на небольших глубинах, а мере углубления горных работ они проявляются слабо.
Покровные слабо водопроницаемые покровные отложения сложены главным образом суглинками и глинами четвертичного возраста, выдержанной мощности не менее 5 м. Угольные же месторождения обычно сложены переслаивающимися пластами сланцев различного состава, песчаников и песчано-глинистых пород с редкими прослоями известняков и угля. Породы эти часто сильно смяты в складки различного вида и разбиты системой крупных и мелких тектонических трещин. К тому же массивы горных пород угольных месторождений, как правило, расчленены тектоническими нарушениями на ряд блоков различных размеров. С поверхности породы разбиты трещинами выветривания, которые распространяются на глубину 30-50 м.
Подземные воды угольных месторождений заключены в трещинах песчаников и известняков; водоупором для них служат сланцы различного состава. Сами пласты углей обводнены редко. Циркуляция подземных вод происходит по тектоническим трещинам. Обычно проводниками и коллекторами воды в угленосной толще служат зоны тектонических разломов или сбросовых трещин. По ним вода может поступать из нескольких водо-
носных горизонтов одновременно, а также с поверхности. В последнем случае притоки воды в шахты могут быть значительными и выдержанными во времени.
Воды большей частью напорные с пьезометрическим уровнем, близким к поверхности земли, а иногда и поднимающимся над ее поверхностью. Иногда встречаются безнапорные подземные воды. Наблюдениями на ряде шахт отмечено, что в результате продолжительных откачек направление и скорость движения подземных потоков изменилось.
Подземная разработка угольных пластов с обрушением кровли приводит к нарушению пород, залегающих выше разрабатываемого угольного пласта и усилению притока подземных вод в горные выработки. Сдвижение массива пород под влиянием горных работ происходит неравномерно, поэтапно. При каждом этапе отмечается три фазы: начальная - активная, спокойная и затухающая.
Наиболее интенсивно процесс обрушения пород кровли происходит в течение первых 2-3 месяцев после начала очистных работ. Затухание наступает через 5-8 месяцев. При этом величина сдвижения массива пород зависит от угла падения отрабатываемых угольных пластов, чем больше угол падения пород, тем меньше величина их сдвижения и тем быстрее наступает стабилизация процесса.
Каждое последующее обрушение создает дополнительные пути циркуляции вод. Величина циркуляции вод определяется размером трещин, каналов и полостей обрушенного массива, а также местными гидрогеологическими условиями.
Длительность отдельных фаз сдвижения подработанного массива пород кровли и связанная с ней динамика циркуляции вод, разумеется, не могут
быть строго регламентированы; они зависят от глубины разработки, последовательности выемки полезного ископаемого и местных гидрогеологических условий.
При ликвидации шахты особое значение приобретает скорость подь-ема уровня подземных вод при затоплении горных выработок. Она может быть весьма разнообразной и зависит от размеров существующей перед затоплением депрессионной воронки, от общей емкости осушенных откачкой трещин, тектонических зон, водопроницаемости пород и т.д.
В районах крупных месторождений, где шахты располагаются довольно часто, наблюдается образование общей значительной воронки депрессии площадью в десятки, а иногда и сотни квадратных километров. Наличие общей депрессионной воронки для группы шахт подтверждается тем, что при изменении режима водоотлива в одной или в нескольких смежных шахтах наблюдается изменение притоков и в других ближайших шахтах.
Размер депрессионной воронки зависит также от коэффициента фильтрации и размеров водоносного горизонта, от величины понижения уровня, количества дренажных точек и их взаимного расположения, от интенсивности забора воды из дренажных устройств. Границы распространения воронок депрессии зависят, также от геологического строения, площади питания, величины напоров водоносных горизонтов и др.
Формирование депрессионных воронок в начале откачек происходит относительно быстро, затем оно постепенно затухает. В дальнейшем изменение контура и сглаживание форм воронок депрессии происходит весьма медленно, иногда в течение нескольких лет.
В случае изменения величины забора воды в связи с закрытием отработанных участков, нарезкой новых лав, вводом в действие новой системы дренажных устройств или по другим причинам, наступившее равновесие между количеством откачиваемой воды и сформировавшейся воронкой депрессии может нарушиться. При уменьшении фронта горных работ границы депрессионной воронки сокращаются, при увеличении расширяются.
После ликвидации шахты и прекращения откачки шахтных вод воронка депрессии постепенно приобретает новые контуры. В связи с этим уровень подземных вод может достигать почти первоначального, при этом частично активизируются источники питания нарушенного водоносного горизонта. Отмечены случаи, когда вода из подземных выработок просачивается на поверхность и формирует сток по естественному уклону в сторону ближайших долин и других понижений рельефа.
В качестве мер профилактики с инфильтрацией предусматривают на поверхности планировочные работы, удаляют поверхностные застойные воды и на участках высокой поглощаемости устраивают водонепроницаемые лотки или же укладывают трубы для отвода просачивающихся вод, а также возводят защитные завесы или применяют искусственное снижение водопроницаемости пород, не допуская заболачиваемости сельскохозяйственных земель и территорий жилых поселений.
Практика показывает, что основные изменения гидрогеологических условий в толще пород обусловлены геомеханическими преобразованиями подработанного массива. Над выработанным пластом угля образуются
зоны разрушения пород. Трещины разлома и расслоения породного массива в этих зонах являются проводниками подземных вод, что создает условия притока воды в шахту.
Безопасный уровень гидрогеологических преобразований установлен из условия сохранения гидродинамического и гидрохимического режимов водоносных горизонтов. Это достигается путем предотвращения осадок ложа водоносного горизонта, способных нарушить целостность водоупорного слоя. Допустимый уровень преобразований подземного водоносного горизонта по условию сохранения водоупорного слоя определяют как
N = Ьб /Ь
где Ьб - величина безопасного оседания, определяемая по условиям сохранения целостности водоупора; Ь -вертикальное перемещение подработанного массива.
Это равенство достигается при применении технических приемов, в частности, применение закладки выработанного пространства или оставления угольных целиков. Закладка выработанного пространства или частичная отработка пласта по площади являются эффективными средствами от разрушения водоупоров и сокращения притоков воды в горные выработки.
Защита водоносных горизонтов от истощения, вследствие дренирования их горными работами, осуществляется экранированием зоны трещин (устройством барражей или водонепроницаемых завес).
Основное условие водонепроницаемости водоупорного слоя - расположение его вне свода обрушения, т.е. У>в , где V- расстояние от водоупорного слоя до очистной выработки по нормали к напластованию. До-
полнительное условие водонепроницаемости - отсутствие водопроводящих трещин в водоупорном слое вследствие его прогиба в сторону выработанного пространства.
По свойству и составу породы покрывающего массива можно разделить на 3 группы: первая - представлена преимущественно слоями песчаника, имеющими мощность 10-15 м и более;
вторая - представлена чередующимися слоями песчаников, алевролитов и аргиллитов различной мощности;
третья - представлена переслаивающимися алевролитами, аргиллитами и песчаниками, слои по своей мощности не превышают 1—3 м.
В зависимости от строения и состава пород в подрабатываемом массиве наблюдается три зоны сдвижения пород.
Первая-зона обрушения, куда входят непосредственная кровля, обру-шающаяся полностью, и основная кровля, разламывающаяся на крупные блоки.
Вторая - зона интенсивных расслоений, охватывает участок массива в средней части по высоте и частично - в нижней.
Третья зона характеризуется вязким опусканием пород вслед за опусканием и уплотнением пород средней и нижней зон.
Наряду с зональностью сдвижения по вертикали отмечен трехстадийный характер сдвижения пород покрывающей толщи во времени и пространстве. Проявление каждой стадии находится в определенной зависимости и чередовании пород покрывающей толщи и их физико-механических свойств.
Необходимо отметить, что процесс сдвижения в толще массива имеет динамичный характер и непрерывно следует за движущимся очистным за-
боем. Протекание процесса идет снизу вверх.
Породы непосредственной кровли, обрушаясь, увеличиваются в объеме за счет разрыхления. По мере удаления забоя очистной выработки обрушенные породы уплотняются под действием веса опускающихся слоев вышележащей толщи, а трещины постепенно кальматируют. В связи с этим происходит изменение структуры пород на границе депрессионной воронки, снижаются скорости и объемы притоков воды, что в проектах ликвидации шахт практически не учитывается.
Характер уплотнения, обрушенных пород зависит от степени их разрыхления и физико-механических свойств, а также от нагрузки создаваемой в период активной фазы сдвижения всей покрывающей толщи до земной поверхности.
Исследованиями установлено, что уплотнение в нижней части массива не всегда достигает максимального значения, равного мощности обрушенных пород. Это свидетельствует о том, что нагрузки воспринимаемые обрушенными породами меньше соответствующей величины уНх/Нх -высоты пород подвергнутых процессу сдвижения. Изменения мощности уплотненных обрушенных пород достигает 12-33 % от вынимаемой мощности пласта.
Наиболее правильную оценку всего процесса формирования вторичного водоносного горизонта можно дать через процесс сдвижения и уплотнения обрушенных пород в динамике, начиная от выработанного пространства до поверхности на базе наблюдений в производственных условиях.
Широко известными исследованиями установлено, что с глубиной залегания свойства пород изменяются
в сторону наростания прочности, что объясняется увеличением их плотности. Для песчаников на каждые 100 м глубины осж возрастает на 90-100 кг/см2 и ораст. - на 10-15 кг/см2; для алевролитов и аргиллитов изменения в меньших пределах: осж на 10-15 кг/см2 и ораст. На 3-7 кг/см2.
Исследования уплотнения обрушенных пород были произведены на шахтах Карагандинского, Челябинского, Воркутинского и Кузнецкого угольных бассейнов. Всего было обследовано 24 шахты. При этом подтверждено, как выше указывалось, уплотнение происходит в три периода. При этом второй и третий периоды, характеризуются малой степенью уплотнения обрушенных пород и являются периодами их слеживания и цементации кусков мелкими фракциями (рисунок). Естественно, что чем больше объем мелких фракций, тем быстрее происходит процесс уплотнения и цементации обрушенных пород.
Прочностные показатели уплотненных пород с естественной влажностью имеют прочность на 25-15 % выше, чем породы подтопленные водами водоносных горизонтов. Увлажнение пород обеспечивает более высокую степень их уплотнения при приложении к ним нагрузки. Степень уплотнения и цементации обрушенных пород прямо зависит от времени приложения нагрузки.
Нагрузки разнятся в пространстве и времени, поэтому возникает вопрос, какая же нагрузка оказывает основное воздействие на процесс уплотнения и цементации обрушенных пород.
Очевидно, что нагрузка создаваемая весом самих обрушенных пород непосредственной кровли будет недостаточно для их уплотнения. Даже при мощности непосредственной
кровли 15-16 м, давление на почву слоя будет около 40 т. фактически же мощность непосредственной кровли изменяется от I до 13 м, что создает нагрузку на почву слоя от 2,5 до 34 т/м или в среднем около 16 т/м2,
Нагрузка создаваемая первичным опусканием основной кровли зависит от ее мощности, которая колеблется от 15 до 40 м, составляя в среднем 30-35 м. при данной мощности давление на почву достигает 55-110 т/м2 через 10-14 суток после обрушения непосредственной кровли, т.е. при отходе очистного забоя на 20-30 м.
Основная же нагрузка на почву отработанного пласта создается после сдвижения вмещающих пород до дневной поверхности, которая зависит от глубины разработки и равна уср Н д.п. Значение Н д.п. на шахтах исследования колебалась от 100 до 600 м, и более, т.е. нагрузка соответственно достигала:
Р1= уср Н1= 2,7 100 = 270 т/м2,
Р2= уср Н2 = 2,7 -200 = 500 т/м2, Р3= усрН3 = 2,7- 300 = 810 т/м2,
Р4 = уср Н4 =2,7 -400 =1080т/м2,
Р5 = уср Н5= 2,7-500 =1350 т/м2.
Продолжительность сдвижения до дневной поверхности определялась глубиной работ и строением пород. Составила 2-3 месяца после отхода очистного забоя, иногда через 5-6 месяцев.
Характер кривых отражает периодичность процесса уплотнения. В первый период в пределах давления 35 т/м2, уплотнение происходит от 20 до 33 % от объема обрушенных пород. Во втором периоде, в п2Эеде-лах давления от 33 до 103 т/м , породы уплотняются от 4 до 13 %. Такой разброс связан с тем, что породы имеют различную способность насы-
щаться влагой и размокать. Легко размокаемые дают больший процент уплотнения (усадки), чем более трудно размокаемые.
Вновь сформировавшиеся породные структуры приобретают отличи-
График, характеризующий процесс усадки и уплотнения пород, увлажненных до 8-10%: 1 - шахты Челябинского бассейна; 2- шахты Кузнецкого бассейна; 3 - шахты Вор-кутинского бассейна
тельные свойства водопроницаемости от тех, которыми обладали первоначальные структуры, в связи с этим подземные водоносные горизонты не восстанавливаются в прежних параметрах и координатах, а формируются со значительными отклонениями в гидрохимическом, скоростном, напорном, фильтрационном и уровневом аспектах. При разработке проектов ликвидации шахт необходимо все изменения учитывать и прогнозировать возможные негативные последствия от принятого мокрого способа ликвидации.
— Коротко об авторах-----------------------------------------------------
Ельчанинов Е.А., Головко И.В. - Московский государственный горный университет.
