Р Сергієнко - Активізація геодинамічних процесів в породах середнього карбону східної частини донбасу при закритті вугільних шахт - страница 1

Страницы:
1  2  3 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД «НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

СЕРГІЄНКО Радій Миколайович

УДК 622.83 (477.61)

АКТИВІЗАЦІЯ ГЕОДИНАМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ В ПОРОДАХ СЕРЕДНЬОГО КАРБОНУ СХІДНОЇ ЧАСТИНИ ДОНБАСУ ПРИ ЗАКРИТТІ ВУГІЛЬНИХ ШАХТ

Спеціальність: 04.00.16 - «Геологія твердих горючих копалин»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук

Дніпропетровськ-2012

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі будівельної геотехнології Донбаського державного технічного університету Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України (м. Алчевськ).

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Должиков Петро Миколайович,

завідувач кафедри будівельних технологій Дон­баського державного технічного університету Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України (м. Алчевськ). Офіційні опоненти: доктор геологічних наук, старший науковий спів-

робітник

Пімоненко Людмила Іванівна,

провідний науковий співробітник відділу геології вугільних родовищ великих глибин Інституту гео­технічної механіки ім. Полякова НАН України (м. Дніпропетровськ);

кандидат геолого-мінералогічних наук, доцент Ішков Валерій Валерійович,

завідувач кафедри мінералогії та петрографії Державного вищого навчального закладу «На­ціональний гірничий університет» Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України (м. Дні­пропетровськ).

Захист відбудеться «_25_» _жовтня_ 2012 р. о _13-30_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.05 при Державному ВНЗ «Національний гі­рничий університет» Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, просп. Карла Маркса, 19, тел. (0562) 47-24­11.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного ВНЗ «На­ціональний гірничий університет» Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, просп. Карла Маркса, 19.

Автореферат розісланий «_21_» _вересня_ 2012 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.080.05 кандидат геолого-мінералогічних наук, доцент

А. Л. Лозовий

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Експлуатація вугільних шахт зумовила істотне і багатопланове техногенне навантаження на природне середовище, що призвело до суттєвих змін, перш за все, гідродинамічних і гідрогеологічних процесів у лі­тосфері. Тепер при закритті шахт, гірський масив одержує удруге техногенне вторгнення, і геологічне середовище не може бути відновлено до початкових її параметрів. Фізична ліквідація гірничих виробок призводить до виникнення і розвитку взаємозв'язаного комплексу нових явищ і процесів негативних в екологічному плані. Ці явища і їх наслідки розвиваються протягом останніх 8­10 років і є маловивченими, важко прогнозованими і майже некерованими у зв'язку з індивідуальністю гірничо-геологічних умов масиву.

Передумовами активізації процесів зсовування на шахтах, що закриваю­ться, є зниження міцнісних властивостей гірських порід у результаті затоплення гірничих виробок. Це може призвести до втрати сталої рівноваги товщі гі­рських порід і активізації процесу зсовування породної товщі, яка представлена відкладами середнього карбону. У результаті можуть виникнути додаткові де­формації земної поверхні, тріщини, уступи, осідання і провали. Деформації гі­рських порід і земної поверхні, які викликані активізацією процесу зсовування, за несприятливих умов можуть викликати пошкодження в будівлях і спорудах, а також збільшення водопроникності і газопровідності порід.

Особливість розвитку цілої низки геодинамічних процесів полягає в тому, що саме вони в більшій своїй частині обумовлюють сучасні деформації денної поверхні. Тому, саме вони можуть розглядатися як потенційні носії деформації гірських порід, при закритті вугільних шахт.

У зв'язку з цим, дослідження активізації геодинамічних процесів в породах середнього карбону гідродинамічними методами на територіях під­роблених гірничими роботами, є актуальною науково-технічною задачею, яка має важливе практичне значення для гірничопромислової геології і охорони навколишнього середовища вугледобувних регіонів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисерта­ційна робота виконувалася відповідно до координаційного плану держбюджет-них тем Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України № 39 по напря­мку «Гірничі науки» за темою «Наукове обґрунтування зосереджених деформа­цій товщі та її розрахунок при відпрацюванні світи пластів» (№ ДР 0108U001531) і Державної служби геології та надр України за темами: «Моніторинг розповсюдження і розвитку інженерно-геологічних процесів і явищ в межах території Луганської області з метою геологічного забезпечення ПІАС НС і протизсувних заходів» (№ У-06-192/1) і «Вивчення регіональних змін гідрогеологічних умов в районах ліквідації шахт і їх вплив на геологічне середовище прикордонних територій Луганської області» (№ У-06-182/1).

Мета і задачі досліджень. Мета роботи полягає у виявленні нових геоди­намічних ефектів у породах середнього карбону при затопленні вугільних шахт Східного Донбасу.

Для досягнення мети в дисертації поставлені і вирішені наступні задачі:

1. Виконаний аналіз сучасного геодинамічного стану і гідрогеологічної обстановки підробленого гірського масиву.

2. Виявлені закономірності розвитку тріщинуватості у вугленосних від­кладах в процесі роботи і закритті гірничого підприємства.

3. Досліджений розвиток геодинамічних процесів в гідроактивізованому гірському масиві. Обґрунтувати геодинамічну модель підтопленого гірського масиву.

4. Класифіковані геологічні площі за ступенем активності прояву геоди­намічних процесів.

Ідея роботи полягає у використанні гідродинамічних методів для встановлення параметрів геодинамічних процесів підтоплених літологічних шарів вугленосної товщі.

Об'єктом досліджень є породний масив, який зазнає вплив гірничих робіт і затоплення.

Предмет досліджень - геодинамічні процеси, що відбуваються в гідро-активізованому породному масиві.

Методи досліджень. Для досягнення мети і рішення задач, які сформу­льовані у даній дисертації, був виконаний комплекс теоретичних і експери­ментальних досліджень, який включає аналіз та узагальнення спеціалізованої літератури в даній області, проведення аналітичних, натурних досліджень і статистичний аналіз отриманих результатів. В області теоретичних досліджень використовувалися теорії підземної гідродинаміки, механіки ґрунтів, гідро­статики. Натурні дослідження полягали в обробці і узагальненні матеріалу отриманого у результаті проведення комплексу дослідно-фільтраційних робіт (дослідні відкачки, витратометрія) в свердловинах і при перетинанні гірничими виробками тектонічних порушень.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. При закритті вугільних шахт з затопленням порід середнього карбону по водоносних горизонтах, гідравлічно пов'язаних з тектонічними порушення­ми, відбувається активізація геодинамічних процесів, яка виражається в блоковій перебудові гірського масиву та розвитку гідродинамічної напруги на контакті з покривними відкладами, що характеризує регіональні геологічні зміни.

2. У результаті обводнення тріщинуватих зон відбувається зміна струк-турно-міцкісних характеристик і напружено-деформованого стану гірського масиву, і він набуває властивості в'язкопружного середовища, в якому виявля­ються локальні гірничі удари з інтенсивністю 4-6 балів, що пов'язано з релакса­цією напруг по диз'юнктивних порушеннях.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше розглянуті геодинамічні процеси складно структурного гідро-активізованого гірського масиву, складеного тріщинуватими породами середнього карбону і встановлено, що в ньому отримали розвиток:

а) ефект блокової перебудови масиву в зоні обвалення;

б) ефект гідродинамічного напруженого стану шарів порід в зоні прогина­ння;в) ефект локальних гірничих ударів в зоні тектонічних порушень.

2. Вперше розроблена геодинамічна модель для нелінійно-в'язкопруж-но-го гідроактивізованого породного масиву.

3. Вперше обґрунтовано, що у межах Боково-Хрустальскої та Довжано-Садкинської синкліналій існує три типа площ за ступенем активності прояву геодинамічних процесів на підроблених територіях.

Наукове значення роботи полягає у виявленні нових геодинамічних ефектів в підтопленому гірському масиві, який представлений породами середнього карбону у межах Головної синкліналі східної частини Донбасу.

Практичне значення отриманих результатів полягає в обґрунтовуванні підвищеної деформації гідроактивізованих порід середнього карбону і виділен­ні локально-концентрованих площ, на яких активізовані геодинамічні процеси будуть відбуватися з різною інтенсивністю, що безпосередньо пов'язано з структурно-кінематичними властивостями породного масиву і залежить від гео-лого-гідрогеологічних та тектонічних особливостей геолого-промислового вугленосного району.

Реалізація результатів досліджень, висновків і рекомендацій роботи.

1. Наукові результати прийняті для виконання робіт з дослідження розпо­всюдження і розвитку інженерно-геологічних процесів і явищ в межах закритих шахт Луганської області Східним державним регіональним геологічним під­приємством («Схід ДРГП»).

2. Результати досліджень також використовуються:

- для удосконалення системи екологічного моніторингу навколишнього середовища; при розробці методик прогнозування і управління небезпечними геодинамічними процесами; як об'єктивні ісходні дані для проектування під­земних і поверхневих об'єктів будівництва у геолого-промислових районах («ЛуганськДІПРОШАХТ»);

- в учбовому процесі при підготовці студентів гірничих спеціальностей Донбаського державного технічного університету (м. Алчевськ).

3. На площах з максимальним проявом геодинамічних процесів пропонує­ться ведення моніторингу компетентними організаціями з метою попередження негативного впливу даних процесів на довкілля.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується застосуванням апробованих положень і законів підземної гідродинаміки, механіки ґрунтів, реології в'язкопластичного середовища, методів математичного моделювання; застосуванням точних вимі­рювальних приладів і натурних результатів досліджень, виконаних відповідно до методики свердловинних досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідалися та були схвалені на науково-практичних конференціях - «Екологічна безпека техногенно перевантажених регіонів та раціональне ви­користання надр» (Коктебель, 2007 р.), «Економічні, екологічні та соціальні проблеми вугільних регіонів СНД» (Краснодон, 2008 р.), «Вдосконалення технології будівництва шахт і підземних споруд» (Донецьк, 2008 р.), ре­гіональній науково-практичній школі-семінарі «Прогресивні технології буді­вництва, реконструкції, реструктуризації і безпеки в капітальному будівництві підприємств вугільної промисловості» (Донецьк, 2008 р.), на конференції «210 років початку систематичного державного геологічного дослідження Донбасу» (Луганськ, 2008 р.), на IV Міжнародній науково-практичній конференції «Про­блеми гірництва і екології гірничого виробництва» (Антрацит, 2009 р.).

Особистий внесок здобувана. Дисертаційна робота є результатом наукових і експериментальних досліджень автора. Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні мети і постановці завдань наукових досліджень; зборі, обробці і аналізі проведених натурних досліджень по свердловинах на полях діючих і закритих вугільних шахт Довжано-Ровеньківського геолого-промисло-вого району Донбасу; розробці математичної моделі для нелінійно-в'язкопруж-них тіл; виділенні площ з різним ступенем прояву геодинамічних процесів. В ко­лективних публікаціях, автором використовувалися теоретичні напрацювання і експериментальні дані співавторів і їх консультативна допомога.

Публікації. По темі дисертації автором опубліковано 12 друкованих праць, у тому числі: 3 статті в спеціалізованих фахових виданнях, 6 - в збірни­ках матеріалів конференцій та в інших виданнях - 3.

Структура і обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складає­ться з вступу, п'яти розділів, висновків, 26 рисунків, 38 таблиць, списку ви­користаної літератур з 128 найменувань, 1 додатку. Викладена на 167 сторінках друкарського тексту, з яких 136 сторінок основного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета й задачі досліджень, наведені наукові положення, які виносяться на захист, а та­кож дані про апробацію і публікацію результатів досліджень.

У першому розділі виконаний аналіз геодинамічного стану гірського масиву і дана оцінка гірничо-геологічним та гідрогеологічним наслідкам і про­блемам при закритті вугільних шахт.

Дослідженням цих проблем у Донбасі займалися багато інститутів і спеці­алізованих організацій - УкрНДМІ, Дніпродіпрошахт, ДП «Донецькгеологія», «Схід ДРГП», ВО «Укргеологія» та ін. Значний науковий внесок у цьому напрямку зробили такі вчені: Л.І. Пімоненко, Е.Я. Кіпко, В.Д. Рябічев, В.М. Єрмаков, Ю.П. Жєлтов, М.В. Жикаляк, С.О. Чернікова, І.В. Хохлов, М.С. Заборін, Л.Д. Богун, В.О. Сляднєв, Є.О. Яковлєв, Н.О. Юркова, Ю.М. Гаврі-ленко, Ю.Ф. Креніда, О.А. Уліцький, В.О. Дрібан і багато інших.

Як показує практика, сучасні підходи не забезпечують достатньої надійності прогнозних оцінок та ефективності захисних заходів. У виконаних дослідженнях не беруться за увагу нові геодинамічні ефекти, які виникають у гідроактивізованому гірському масиві при закритті вугільних шахт.

На сьогодення сучасне формування екологічної обстановки у вугле­добувних регіонах у багатьох випадках дуже тісно пов'язано із закриттям і затопленням вугільних шахт. При підземній розробці вугілля відбувається складна деформація земної поверхні, фундаменту будівель і споруд. Формува­ння гідрогеологічної обстановки в регіоні після закриття вугільних шахт відбу­вається в результаті одночасної дії двох чинників: природних і техногенних.

Наслідки встановлення нового техногенного режиму підземних вод при затопленні шахт можуть бути надто істотними і не завжди передбаченими. Тому у зв'язку з цим на сьогодення актуальною науково-технічною задачею є дослідження розвитку геодинамічних процесів гідродинамічними методами на полях діючих і закритих шахт.

У другому розділі приведено методику досліджень, яка спрямована на досягнення поставленої мети і вирішення задач та наведені види і обсяги робіт. Для отримання повної і об'єктивної інформації про зміни геодинамічних про­цесів в гідроактивізованому гірському масиві та виявленні нових геодинамі­чних ефектів використовувалися свердловинні методи.

Для вирішення даного питання застосовувалися геофізичні і гідрогеологі­чні методи досліджень. Виявлення і параметризація порушених зон у гірському масиві здійснювалося цілим набором геофізичних методів.

Для вивчення гідрогеологічних умов досліджуваного масиву і отримання кількісних гідрогеологічних характеристик водоносних горизонтів при бурінні свердловин виконувалися наступні спостереження і експериментально-дослі­дницькі роботи: виміри рівнів води в свердловинах, спостереження за поглина­нням промивальної рідини, спостереження за самовиливом води із свердловин, спостереження за провалами бурового інструменту при бурінні, спостереження за виходом керна і його макроскопічне вивчення, відкачки, наливи, відбір проб води і зразків порід для аналізу і лабораторних досліджень.

В науково-дослідній роботі застосовується комплексна методика дослі­джень, яка включає як аналітичні, так і експериментальні дослідження по темі дисертації. Методи дослідження гідродинамічних характеристик обводнених гі­рських порід в сукупності з геофізичними методами і вивченням гірничо-гео­логічних умов породного масиву, що використовуються, забезпечили отриман­ня надійної і вичерпної інформації про розвиток геодинамічних процесів в гідроактивізованому гірському масиві.

У третьому розділі вивчалися водоносні горизонти і комплекси, тектоні­чні порушення та їх гідрогеологічна активність, а також виявлені загальні закономірності розвитку тріщинуватості з глибиною в породах середнього карбону на площі Довжано-Ровеньківського геолого-промислового району, як головні чинники розвитку геодинамічних процесів.

На підставі узагальнення матеріалів геологорозвідувальних, гірничо-екс­плуатаційних робіт, гідрогеологічних спостережень по свердловинах було показано, що обводненість порід карбону пов'язана з тріщинуватістю, яка за площею і у вертикальному розрізі дуже неоднорідна. Гідравлічний зв'язок водоносних горизонтів здійснюється по зонах тектонічних порушень і по зонах тріщинуватості, що утворилася після обвалення покрівлі відпрацьованих вугільних пластів. Основні водоносні горизонти у даному геолого-промислово-му районі приурочені до пісковиків. Наявність тріщин міняє фізичні власти­вості гірського масиву і відповідно визначає розвиток геодинамічних процесів.

З метою з'ясування загальних закономірностей розвитку тріщинуватості і впливу тектоніки на її розвиток поглинаючі свердловини групувалися по тектонічних елементах Довжанської улоговини, яка є основним структурним елементом Довжано-Ровеньківського геолого-промислового району (табл. 1).

Таблиця 1

Кількість пробурених свердловин по тектонічним елементам Довжанської улоговини

Тектонічний елемент

Усього пробурено

З них поглинаючих

Північне крило

269

188

Донна і замкова частина

146

68

Південне крило

242

203

Поглинання, які відмічалися по свердловинах, були розділені за наступ­ними інтервалами глибин: 0 - 100 м, 100 - 200 м, 200 - 300 м і т.п. Аналізували­ся всі, що зустрічалися свердловиною, поглинання на різних глибинах. В про­цесі обробки матеріалів вивчалася залежність розкритості тріщин від глибини. Максимальна глибина розвитку тріщинуватості складає 1200 м.

В результаті вивчення усього наявного матеріалу виділено 4 зони розкри-тості тріщин (табл. 2).

Таблиця 2

Потужність зон розкритості тріщин та їх глибина залягання

Текто-ні-

чний елемент

I зона (максимальної розкритості)

II зона (значної розкритості)

III зона (середньої розкритості)

IV зона (мінімальної розкритості)

 

глибина заляган­ня, м

пот-уж-н ість м

глибина заляган­ня, м

пот-уж-н ість м

глибина заляган­ня, м

пот-уж-н істьм

глибина заляган­ня, м

пот-уж-н істьм

 

від

до

 

від

до

 

від

до

 

від

до

 

Північне крило

0

75

75

75

300

225

300

700

400

700

1100

400

Донна і замкова частина

0

75

75

75

300

225

300

350

50

350

1100

750

Південне крило

0

75

75

75

1200

1125

-

-

-

-

-

-

Більш порушеним є південне крило Довжанської улоговини, по відношен­ню до північного крила (рис. 1).

В процесі ведення гірничо-експлуатаційних робіт встановлено, що ши­роке розповсюдження має також техногенна тріщинуватість, на утворення якої впливає цілий ряд чинників гірничотехнічного характеру, перш за все опорний тиск і застосовані способи управління покрівлею.

Рис. 1 Залежність розкриття тріщин від глибини по тектонічним елементам

На підставі даних про поглинання промивної рідини в свердловинах, які перебурили гірничі виробки шахт, виконаний розрахунок максимальної потуж­ності зони техногенної тріщинуватості від потужності вугільного пласта і уп­равління покрівлею для пластів антрациту Довжано-Ровеньківського геолого-промислового району.

Розрахована максимальна потужність зони техногенної тріщинуватості для пластів антрациту наступна:

Нп=57,8 • m - у випадку управління покрівлею способом повного обвален­ня, і Нч= 43,5 • m - при управлінні покрівлею способом часткової закладки ви­робленого простору, де m - потужність вугільного пласта, м.

При затопленні шахт порушується геомеханічна рівновага в масиві, яка може виявитися в зсовуванні гірських порід. Таке зсовування найбільш ймовірно розвивається по зонах тектонічних порушень. Тому значна увагу була надана вивченню тектонічних порушень і їх обводненню, які приурочені до зони крупних лінійних складок.

Аналіз всього матеріалу дає можливість виділити в Довжано-Ровеньківсь-кому геолого-промисловому районі три типи скидів за ступенем їх обводнення:

I - безводні, при перетинанні яких відмічається слабкий накрап, або ж «сухо»; II - слабообводненні - спостерігалися прориви, притоки води до 20 м3/год; III - обводненні - відзначені постійні притоки або ж прориви води в межах 20,0 -100,0 м3/год.

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

Р Сергієнко - Активізація геодинамічних процесів в породах середнього карбону східної частини донбасу при закритті вугільних шахт