CC BY
30
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98»
МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98 СЕМИНАР 6 «ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА» (ПРОБЛЕМЫ «ГЕОМЕХАНИКИ»)
А.В. Мохов
Всероссийский научно-исследовательский геологоразведочный институт угольных месторождений
ЗАКОНОМЕРНАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ СКАЛЬНЫХ ПОРОЛ ПОП ВЛИЯНИЕМ СХДВИЖЕНИЯ НА УЧАСТКАХ ПОДЗЕМНОЙ ВЫЕМКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ С ОБРУШЕНИЕМ КРОВЛИ
Сдвижение горных пород служит мощным фактором преобразований геологического пространства. Существенным изменениям подвергаются при этом все компоненты геологической среды. Сдвижение сопровождается изменением напряженного состояния, дезинтеграцией, изгибом слоев, разуплотнением и уплотнением пород, потоками флюидов и другими преимущественно механическими, процессами при резко подчиненном значении откликов иной природы. Наиболее изученной является трансформация литогенной основы, которая во многом предопределяет реакцию подземных вод и газов на техногенное воздействие.
Наблюдения и исследования выявляют четко выраженную направленность и повторяемость ряда изменений геологической среды, выражающуюся в типологическом сходстве сдвижения и деформаций массива, вариаций напряженного состояния и его индикатора - режима флюидов, в частности, их проявлений в горных выработках, скважинах и на земной поверхности в различных природно-технических ситуациях. При этом обнаруживается ограниченность спектра реакций среды, что указывает на наличие предпочтительности в ее откликах на воздействие извне.
При всем значении тектонических напряжений сдвижение больших объемов горных пород формируется и реализуется преимущественно как гравитационный процесс, генерируемый строительством горных выработок. Степень возмущающего воздействия на массив может быть приближенно охарактеризована размерами горной выработки, а отклика породной среды -величиной смещения, интенсивностью разрыв-
ных и пликативных деформаций Структурных элементов толщи, приращением объема пород в результате их разрыхления и расслоения.
Энергетика процессов в целом невелика и они могут рассматриваться как чисто гео (лито-, гидро -, газо -) механические, будучи только на локальных участках значительны по своим, например, термическим или физико-химическим проявлениям.
Практика горных работ свидетельствует о способности массива к регулярному поведению, проявляющейся, в частности, в стабильности шагов обрушения непосредственной и основной кровли выработанного пространства в фоновой горнотехнической обстановке.
Уже первые данные о структуре массива со всей определенностью показали существование упорядоченности в распределении деформаций сдвижения. По мере накопления информации первоначальные априорные представления о хаотичности последствий сдвижения уступали и продолжают уступать место идеям о закономерном характере реакции и изменчивости породной основы, корреляция течения и конечных результатов рассматриваемого процесса.
Иллюстрацией сказанному служит существование деформационной зональности вмещающего выработку породного массива, стабильность формы области сдвижения, распределения в плане деформаций земной поверхности и слоев внутри подработанной толщи, установленной специалистами ВНИМИ локализации верхней границы зон водопроводящих трещин сдвижения при повторных подработках и проч.
Отражением стабильности хода и итогов геомеханических преобразований служит факт выделения и успешного использования в прикладных целях вполне устойчивых значений параметров сдвижения и деформаций в условиях широкого круга угольных месторождений. Как показывает анализ литературных и фондовых данных, фактический разброс указанных параметров не отвечает размаху изменчивости основных природных условий месторождений, что свидетельствует в пользу относительно слабой зависимости от естественных характеристик, включая механические свойства пород.
Обнаружены и другие варианты закономерной реакции породной среды, в связи, с чем возникает вопрос о причинах, механизме, условиях и границах ее проявления, в частности, значения горного производства. Рассмотрим их на примере подработанной толщи скальных и полускальных пород, изучению состояния и свойств которой в последние десятилетия уделяется много внимания.
В условиях ограниченности вариантов горнотехнических факторов объяснение стабильности откликов литогенной основы исключительно за счет организующего действия горного производства выглядит вполне убедительным. Является очевидной и подтвержденной натурными данными причинно-следственная связь сдвижения и деформаций массива с искусственными факторами, в частности, осциллирующим влиянием горных выработок на среду.
При всей правомерности подобного подхода такое заключение не может, однако считаться достаточным и универсальным. Имеются вполне определенные данные о быстром затухании непосредственных воздействий уже на небольшом удалении от выработанного пространства при ведении работ в условиях прогиба подработанной толщи и факты упорядоченного поведения должны быть отнесены на счет реакции породного массива, практически инвариантной ко многим параметрам горных работ. Наличие природных аналогов областей сдвижения с теми же характеристиками указывает на организующую роль технологических процессов во многих ситуациях как фактор геомеханических преобразований второстепенного значения.
Ключом к пониманию этих и предвидению новых эффектов является расшифровка механизма образования и накопления деформаций. Причины упорядоченной реакции породной среды становятся вполне понятными при исследованиях такого ее проявления, как отставание оседания земной поверхности от роста вынутой мощности в широком диапазоне последней. В условиях полных сдвижений ослабление отклика среды отражает приращение (в общем случае
- вариации) мощности подработанной толщи вслед за возрастанием (изменением) высоты выработанного пространства. Уменьшение оседания обеспечивается, очевидно, усилением разрыхления массива в зоне обрушения и расслоения в зоне несвязного прогиба пород. Анализ материалов натурных инструментальных наблюдений позволяет обнаружить такой яркий геомеханический эффект как стабильность оседаний земной поверхности в широком диапазоне вынутых мощностей, наличие спектра "разрешенных" значений максимально возможных оседаний в обоих случаях при связном прогибе приповерхностной части толщи коренных пород. В условиях полной подработки величина оседания поверхности принимает одно из значений приблизительно 0,35 или 1,2 м в зависимости от характеристик подработанной толщи. Для массивов со склонными к зависанию слоями песчаников максимальное оседание асимптотически стремится к первой из указанных величин в широком диапазоне значений вынутой мощности. Оседание поверхности массивов, деформационные свойства которых определяются податливостью слоев аргиллитов и алевролитов, соответствует второму значению ряда. Естественно, в обоих случаях это верно, если вынутая мощность превышает выше указанные величины предельного оседания. Данный эффект наиболее характерен для условий первичной подработки. При повторных подработках в случае связного прогиба приповерхностной части толщи пород максимальное оседание составляет, как правило, около 1,2 м. Дискретность оседания наблюдается в условиях широкого диапазона прочностных свойств пород (пределы прочности на сжатие от 2 до 100 мПа), глубин разработки, тектонической нарушенности массива (Мохов А.В.,1981,1984).
Частоты обнаруженного спектра хорошо согласуются с результатами наблюдений за сдвижением глубинных реперов в скважинах. Они показывает, что максимальная величина связного оседания пачек, содержащих слои песчаников, склонных к зависанию, составляет около 0,3...0,35 м, а пачек с преобладанием в составе аргиллитов и алевролитов, где песчаники имеют подчиненную несущую способность,
- 1,2. .1,3 м. Соответственно, в условиях полной подработки и связного прогиба приповерхностной части массива величина оседания земной поверхности будет равна одному из указанных значений, в зависимости от того, какими по своим деформационным свойствам породами сложена данная область породной толщи. Подобные количественные эффекты наблюдаются в пределах месторождений различных пластовых полезных ископаемых в массивах скальных и полускальных пород (Мохов А.В., 1981). Весьма вероятны они также в условиях месторождений других типов. На месторождениях калийных солей, разрабатываемых камерным способом, сдвижение массива подчиняется выявленным количественным закономерностям. В условиях крутого падения слоев данный эффект нередко затушевывается смещением пород вдоль напластования. Существенная дифферен-цированность свойств "компетентных" слоев различной литологической принадлежности определяет ряд значений наибольшего возможного оседания поверхности массива и его областей при связном прогибе. Спектр дискретных значений может, по-видимому, расшириться соответственно свойствам слоев, например, относительно реже встречающихся литотипов.
Рассмотрим вероятный механизм реализации данного эффекта. Известно, что степень разрыхления пород в зоне обрушения и высота последней прямо пропорциональны вынутой мощности. По данным В.Д. Слесарева средний коэффициент разрыхления на угольных месторождениях для пластов мощностью до 1м равен 1,15. .1,25, для пластов мощностью от 1 до 2м-1,20:..1,30 и мощностью от 2 до 3 м - 1,25...1,35. В итоге увеличения вынутой мощности обеспечивается рост высоты подушки обрушенных пород. В пределах следующей динамической зоны происходит необратимое изменение взаимного
расположения блоков слоев, следствием чего является увеличение мощности прогибающейся области массива и снижение оседания налегающих его частей. Интенсивность расслоения пропорциональна величине смещения динамического элемента массива. Относительное приращение мощности здесь ниже, чем в зоне обрушения, и в общем случае также убывает с удалением от разрабатываемого пласта. Подчеркнем определенную, хотя и второстепенную роль в этих процессах породной толщи в почве выработок, находящейся в непрерывном геоме-ханическом взаимодействии с кровлей.
Указанные эффекты служат выражением общего правила - чем больше величина прогиба (высота обрушения), тем больше расслоение (разрыхление) пород, или, что то же самое, значительней воздействие, тем существенней ответная реакция массива. Данная взаимосвязь имеет важную особенность. Как известно, условием обрушения пород в выработанное пространство является превышение вынутой мощностью некоторого порогового значения, четко дифференцированного в зависимости от литологического состава кровли. В допороговых условиях имеет место плавное опускание породных слоев, что типично для разработок весьма тонких пластов. При достижении определенной высоты свободного пространства над подушкой породных фрагментов обрушение прекращается и сменяется несвязным, а затем - связным прогибом слоев с постепенным снижением степени расслоения пород в разрезе массива. Деформации пород незакрепленных выработок небольшого сечения при внешнем сходстве с рассмотренными выше развиваются, как правило, намного медленней и уступают им по абсолютной величине.
Связь деформирования пород с размерами выработок, его вялое течение и пропорциональность оседания вынутой мощности при небольших значениях последней, усиление по мере роста данного фактора свидетельствуют о нелинейном характере процесса, наличии начального - порогового воздействия (в принципе - нескольких таких порогов), при переходе которого наступает активизация и - опережающими темпами нарастание деформаций с возможной сменой их типа. Снижению воздействия, прибли-
жению его к пороговому значению сопутствует ослабление и, затем, практическое затухание деформаций. На наличие запорогового воздействия и необходимость его преодоления как условия старта механических деформаций указывает сохранение в течение геологических эпох трещин различной ориентировки и пор, имеющих явно докритические размеры.
Разрушение элементов массива ведет к нарастанию объема породной толщи, снижению деформаций все более удаленных от выработанного пространства участков массива до пороговой величины. Во многих ситуациях этот механизм тонко сбалансирован и обусловливает компенсирующий характер приращения объема массива и его отдельных элементов при нарастании вынимаемой мощности в условиях вариаций углов падения, ряда других характеристик обстановки на выемочном участке.
Отсутствие зависимости оседания от вынутой мощности свидетельствует о протекании в массиве процессов, противодействующих распространению сдвижения и, соответственно, деформаций подработанной толщи.
Сущность их раскрывается при анализе характера и направленности изменчивости деформаций пород в разрезе массива и в плане.
Изучение подработанной толщи показывает вполне закономерный характер распределения деформаций сдвижения в разрезе. При этом обнаруживается наличие обособленных областей концентрации и преобладания плика-тивных либо дизъюнктивных деформаций, упорядоченное размещение этих областей относительно источника возмущений. Внутри зон обрушения и прогиба пород с образованием трещин характеристики обстановки существенно, подчас качественно отличаются о таковых в условиях естественного залегания. В пределах зоны обрушения пород, особенно ее нижней части, происходит интенсивное разрушение слоев на фрагменты различных размеров. Приращение скважности достигает здесь максимальных значений, а давление флюидов снижается до минимума. С удалением от выработанного пространства в сдвижении элементов массива возрастает упорядоченность, на смену обрушения, отслеживая ослабление возмущающего воздействия, приходит прогиб пород с нарушением
сплошности в виде трещин. Густота трещин-новообразований и трещинная пустотность проявляют при этом тенденцию к снижению, как и понижение давления подземных вод и газов. В зоне связного прогиба пород имеет место сохранение давлений подземных вод и газовой срёды, фильтрационных и емкостных свойств пород, структуры массива, что можно рассматривать как признак стабильности напряженно-деформированного состояния данной области породной толщи в условиях сдвижения. Замечено убывание смещения и деформированное™ пород, увеличение размеров техногенных фрагментов массива с удалением от выработанного пространства. С удалением от центральной части мульды сдвижения в плане также наблюдается постепенная смена деформаций земной поверхности. В общем случае степень различных изменений связана обратной зависимостью с удалением от источника возмущения. В этом же направлении "происходит" приближение массива к своему исходному состоянию. С учетом сказанного представляется очевидной четкая ориентированность общей реакции породной среды на гашение (диссипацию) возмущений и сохранение - хотя бы в какой-то части - исходного на момент воздействия состояния. Стремление к сохранению такого - естественного или приобретенного - состояния свидетельствуют об активной реакции и самостоятельной роли геологической среды и позволяет сделать вывод о способности породной толщи к управлению своим состоянием и свойствами за счет собственных ресурсов в автоматическом режиме. Процессы подобной направленности называют саморегуляцией - способностью систем восстанавливать или поддерживать существующее, либо приобретенное состояние и режим функционирования.
В массиве могут иметь место и другие проявления данного эффекта. Механизмы и формы его реализации определяются сочетанием особенностей воздействия и свойств вмещающей среды.
Так, способом ограничения, практически
- прекращения сдвижения и деформаций, соответственно, - сохранения стабильности свойств среды служит широко известное образование устойчивых арочных (сводовых) конструкций
из самозаклинившейся системы блоков (по Е.М.Пашкину, 1981 - самоконструирование).
Такой вариант саморегуляции весьма типичен для условий небольшого соотношения размеров горной выработки и мощности потолочины, характерных для участков размещения выработок малого сечения.
На глубоких горизонтах, где влияние реологических свойств пород значительно, также имеет место эффект саморегуляции сдвижения и деформаций. О ее проявлении свидетельствуют результаты наблюдений позади лавы за изменением размеров выемочных штреков, закрепленных податливой арочной крепью. Обобщивший материалы таких наблюдений в Рурском бассейне Э Скутга (1981г.) обнаружил, что в штреках повышенного сечения происходит относительно более интенсивная конвергенция и уже при небольшом удалении забоя лавы отмечается сокращение их площади до значения, при котором конвергенция ослабевает до минимума. При этом остаточные сечения штреков первоначально существенно различного размера быстро выравнивались, стабилизируясь на уровне около 8 м2, который может считаться пороговым для системы "податливая крепь - горнопородный массив" - в конкретных горно-геологических условиях бассейна.
Активная реакция породной среды на возмущающее воздействие многообразна.
В этой связи необходимо отметить такое проявление регулярного поведения как стабилизация размеров и формы блоков пород на определенном удалении от выработанного пространства, где сдвижение достаточно близко к установившемуся.
Эти выводы сделаны на основе гидрогеологических данных. Нами обнаружена стабильность вертикальной проницаемости слоев аргиллитов и алевролитов в пределах значительной части зоны водопроводящих трещин сдвижения на уровне около 0,003 м/сут. (Мохов А.В.,1981). Представляется очевидным, что существование данного эффекта обеспечивается выдержанностью рисунка, густоты и раскрыто-сти трещин сдвижения на поверхности слоев внутри значительной части зоны таких трещин.
Подработанная толща оседает с разделением на отдельные слои и пачки слоев соответ-
ственно их несущей способности и индивидуальной подвижности. Мощность пачек нарастает вверх с удалением от выработанного пространства, а границы остаются нередко стабильными даже при повторных подработках, на что указывают результаты геофизических исследований, выполненных ВНИМИ в различных угольных бассейнах страны. При этом формируются арочные структуры, волнообразно перемещающиеся вслед за очистным забоем. Расположенные выше слои блоков копируют перемещение нижележащих, причем, как правило, во все более устойчивом режиме. Параметры арочных структур зависят от литологического состава слоев и в рамках основных лито-типов весьма стабильны: протяженность арок составляет 30. .35 и 50. .60 м, высота - 1,3 и 0,35 м для слоев глинистых пород и песчаников соответственно (Мохов А.В., 1984).
Эти и рассмотренные ранее эффекты структурообразования и упорядоченного поведения являются в то же время выражением способности массива горных пород к самоорганизации и самонастройке, направленных на компенсацию внешних воздействий. Саморегуляция сочетается с самоорганизацией и самонастройкой как способами ее осуществления.
Упорядоченная реакция присутствует на других масштабных уровнях породной толщи. Подобное распределение деформаций наблюдается в разрезе зон их концентрации, а также динамических элементов массива, повторяя общую картину нарушенное™ подработанной толщи.
Сохранение квазиестественного напряженно-деформированного состояния предполагает диссипацию возмущающего воздействия до некоторого минимального уровня. Диссипация реализуется преимущественно путем структурной перестройки, однако не всегда протекает с необходимой интенсивностью и тогда на смену прогибу слоев приходит проваливание - смещение по сквозным дизъюнктивным контактам, захватывающее, зачастую, всю налегающую толщу. Как следствие, в условиях весьма высокого воздействия процессы саморегуляции могут не получить соответствующего завершения, что обеспечивает распространение деформаций. В условиях, где эффективной диссипации не
происходит, способность массива к саморегуляции, самоорганизации состояния и свойств,, самонастройке проявляется незначительно.
Вместе с тем приращение объема оседающих пород, остаточные деформации, образование "упорных" структур имеют место при любой форме сдвижения и должны рассматриваться как "попытка" саморегуляции массива различными средствами. Прямое отношение к рассмотренным эффектам имеют процессы, известные по динамическим явлениям в горных выработках. Соответственно, проявление склонности к саморегуляции имеет место как тенденция во всех литогеомеханических процессах. Сквозь эту призму могут и должны рассматриваться различные геомеханические процессы и явления.
Описанные эффекты так или иначе связаны с взаимодействием и совместным действием множества структурных элементов породной толщи, то есть имеют синергетическую природу. Вполне очевидно, что закономерная реакция
- собственные функции среды - реализуются при наличии определенной структурной организации и напряженного состояния толщи пород как стартового условия кооперативного эффекта.
Потенциал способности к саморегуляции (самоорганизации, самонастройке) снижается с ростом структурной однородности и ослаблением склонности массива к образованию стабильных блочных структур, что имеет место при ведении горных работ, например, в зоне выветривания, в условиях высокой тектонической раздробленности пород, повторных подработок. При этом отмечается ускорение процессов сдвижения, рост абсолютных величин деформаций, становится возможным поведение массива как практически сыпучего тела с оседанием земной поверхности на величину вынутой мощности. Здесь организующее действие техногенных осцилляторов может проявляться в чистом виде.
Обнаруженные эффекты имеют различные параллели с некоторыми природными процессами.
Сходным образом протекают, например, процессы сдвижения и деформирования на участках формирования карстовых нарушений, морфологически выраженных как дизъюнктивные и пликативные деформации массива, возникающие в результате опускания (прогиба, об-
рушения) породных слоев в карстовую полость. Здесь наблюдается аналогичная зональность деформаций потолочины полостей. Депрессии рельефа по своей конфигурации и глубине практически тождественны мульдам сдвижения на участках подземных разработок пологих и наклонных угольных пластов. Автором обнаружена стабилизация фильтрационных свойств структурных элементов потолочины на том же уровне, что и при сдвижении под влиянием очистных работ с обрушением кровли. По материалам экспериментов на электрических моделях (Плотников B.C. и др., 1974) нами установлено, что в зонах карстовых нарушений Мещёрской низменности коэффициент вертикальной фильтрации трещиноватых аргиллитоподобных юрских глин составляет приблизительно 0,002.. 0,003 м/сут. (Мохов А.В.,1988).
Таким образом, сдвижение способно генерировать геологические и иные поля определенных структурных типов с фиксированными вариантами параметров состояния, выводя массив в одну из заранее известных областей структур и характеристик. Вместе с тем, преобразования среды имеют принципиальную возможность развития по различным траекториям. Бифуркация предопределяет вероятностный характер развития сдвижения, проблемность достоверной оценки его ожидаемых последствий, например, таких, как распознавание формы оседания приповерхностной части массива (прогиб, провал), локализации верхней границы зоны водопроводящих трещин сдвижения, особенно при повторных подработках.
Правомерно ожидать существования других форм закономерного поведения массива и механизмов его реализации.
Выявление закономерных изменений породной толщи и их генезиса имеет определенное эвристическое и прикладное значение, расширяя, в частности, перспективы управления состоянием и свойствами массива, решения задач разработки полезных ископаемых, вопросов охраны окружающей среды.
Существование рассмотренных эффектов позволяет уже на современном этапе их понимания и изученности получать информацию о будущем состоянии геологической среды на участках шахтной добычи, в том числе, на месторождениях, неосвоенных или слабо освоенных угольной промышленностью.
© А.В. Мохов
