Р Сергієнко - Активізація геодинамічних процесів в породах середнього карбону східної частини донбасу при закритті вугільних шахт - страница 2

Страницы:
1  2  3 

У четвертому розділі приведені результати свердловинних досліджень прояву нових ефектів геодинамічних процесів, розроблена реологічна модель процесу деформації геодинамічної системи і отримано рівняння швидкості де­формації гідроактивізованого породного масиву.

В процесі ліквідації вугільних шахт з повним затопленням виробленого простору відбувається активізація геодинамічних процесів у тріщинуватих зонах за рахунок гідродинамічної дії. В цих умовах відбуваються фільтраційні процеси, які обумовлюють структурну перебудову блоків гірських порід, зміну тріщинуватості і міцнісних властивостей. Відновлення гідростатичного тиску швидко відбувається в зоні водопровідних тріщин і в умовах крутого падіння пластів. В тріщинах зони прогинання з пологим заляганням пластів і наявністю покривних відкладів відновлення гідростатичного тиску відбуватиметься із запізнюванням, причому це запізнювання пропорційно співвідношенню тріщи­ни і порової проникності гірського масиву. Таким чином, у гірському масиві створюються умови концентрації напруги в зоні прогинання і закриття в ній тріщин. Така ситуація називається ефектом гідродинамічного напруженого стану масиву.

Підтвердженням вище сказаному є численні витратометрічні дослідження в гідроспостережливих свердловинах на полях діючих і закритих шахт.

Перший тип геофільтраційних процесів спостерігався на полі ліквідованої шахти «Маяк». Буріння гідроспостережливої свердловини виконано на глибину 90 м. В геолого-структурному відношенні ділянка буріння свердловини приурочена до південного крила Довжано-Садкинської синкліналі, у західного її замикання. Гірнича виробка по пласту 16в знаходилася на глибині 115-270 м. В процесі буріння свердловини відмічався самовилив води з первинним дебітом 1,2 м3/ч і із сталим 0,6 м3/ч. В зонах підвищеної тріщинуватості спостерігалася прискорена проходка бурового інструменту.

Також обробка даних про поглинання промивальної рідини, дозволила прослідити зміну частоти, а відповідно, і зміну тріщинуватості і водоносності порід карбону з глибиною на полі шахти № 3 ім. Дзержинського, що свідчить про блокову перебудову гірського масиву (рис.2).

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000 Н

10 20 ЗО 40 50 60 70 80 90 п,

—і-1-1-1-1-1-1-1-1—>. п, %-

Поглинання промивальної рідини в породах середнього карбону з глибиною по роках

-2006 р.

- 2007 р.

- 2008 р.

- вугільнийпласт,

що розробляється( h8)

Рис. 2 Графіки зміни частоти поглинання промивальної рідини з глибиною на полі шахти № 3 ім. Дзержинського (св. 2449-2452)

Другий тип процесів спостерігався на полях ліквідованих шахт № 3-4 «Міусинська» і № 1-2 «Дар'ївська». Так на полі шахти № 3-4 «Міусинська» при бурінні свердловин спостерігалися обводнені зони підвищеної тріщинуватості. Рівні в свердловинах при поглинаннях падали на значну глибину (поле шахти № 1-2 «Дар'ївська»). Наприклад, рівень промивальної рідини в свердловинах (1Д, 2Д, 3Д) при перетині пісковиків L/SKi, I3SI41 і I3SI4 знаходився на глибині понад 100 м. В іншому випадку рівні промивальної рідини при бурінні встановлювалися близько від гирла свердловини, іноді відбувався самовилив із сталим дебітом до 0,9 м3/год.

На полі цієї ж шахти по свердловинах 2458 і 2491, на яких гирла гермети­зувалися і обладнувалися манометрами, відмічалося підвищення тиску, що свід­чило про накопичення концентрації напруги в покрівлі корінних порід (рис. 3).

pq скв. 2491 о Г£5 скв. 2491 •

Рис. 3 Закономірність зміни гідродинамічної напруги в покрівлі корінних порід

Найяскравішим і характерним прикладом доказу прояву ефекту блокової перебудови і ефекту гідродинамічного напруженого стану гірського масиву, та­кож є табличні дані, отримані при проведенні дослідно-фільтраційних робіт в свердловинах на різних полях шахт (табл. 3).

Об'єктово-регіональний розвиток гідрогеомеханічних напруг і об'ємний розподіл гідростатичного тиску в гірському масиві при ліквідації шахт (затоплення гірничих виробок) можуть бути результатом прояву локальних гі­рничих ударів (ефект гірничого землетрусу).

Доказом прояву ефекту гірничих ударів може служити встановлені макросейсмічні прояви Управлінням МНС в Луганській області. Ефект був від­значений в наступних населених пунктах: м. Ровеньки, сел. Новодар'ївка, сел.

Калинівка. Інтенсивність струсу склала 5-6 балів, згідно діючої макросейсмі­чної шкали MSK - 64.

Таблиця 3

Результати проведення дослідно-фільтраційних робіт

Шахтне поле

Номер свердло вини

Інтервал дослід-же-ння

від - до, м

Індекс досліджу­ваного гори­зонту

Пластовий тиск, 105 Па

Статичний рівень води, м

Коефіцієнт фільтрації, м/доб

 

 

 

 

2006

2007

2006

2007

2006

2007

поле шх. «Ха­ркі­вська»

1433

1026-1063

h10Shn

30,0

32,1

70

68,8

2,75х10-2

2,05х10-2

 

1474

255-274

K4-K5

15,55

20,3

102,5

100,5

3,37х10-4

2,67х10-4

 

1509

953-969

I1SI2

54,39

57,9

130,5

124,6

3,1х10-4

2,91х10-4

поле

шх. «Цент­росоюз »

3950

180-300

I3SI43

8,40

9,1

20

21,0

2,88х10-3

10,08х10-3

 

2750

0-70

K8SK9

3,0

4,2

16

14,2

17,2х10-2

27,8х10-3

 

3590

870-907

H5SI19

17,05

19,0

100

95,7

11,3х10-2

1,3х10-2

 

3004

85-120

H51Sh9

12,5

13,0

25

20,3

5,6х10-2

7,9х10-2

поле шх. ім. Космон

автів

3466

512-652

I1SI2

53,2

54,0

483

462

8,4х10-2

4,4х10-2

 

3698

476-509

I3SI4

27

27,5

358,2

347,7

14,4х10-2

20,7х10-2

 

3746

416-437

h10Shn

9

11,1

360

350,0

7,1х10-2

15,1х10-3

Виявлення та встановлення нових процесів у гідроактивізованом породному масиві дозволили розробити схему формування геодинамічних зон. Схема формування геодинамічних зон у гідроактивізованому породному масиві

1 - вугільний пласт; 2 -затоплена зона обвалення; 3 -обводнена зона тріщинуватості; 4 - обводнена зона прогинання з гідродинамічною напругою; 5 - покривні відкладення; 6 -гідроактивізована зона тектоні­чного порушення; в - кут зсовування.

і основні зони деформації приведені на рис. 4.

Рис. 4 Схема формування геодинамічних зон гідроактивізованого

породного масиву

При цьому показано, що основний вплив на деформацію поверхні надає III зона - гідродинамічного напружено-деформуючого стану. А також враховано, що ця зона одночасно володіє властивостями пружного тіла (породи) та в'язкої рідини.

Реологічна поведінка в'язкопружного середовища - процес досить складний. Це пояснюється тим, що, окрім миттєвої пружності порід, в цих умовах розвивається пружність, повзучість і дискретні переміщення по найсла-бших (як правило тектонічних) зонах з ефектом релаксації, що запізнюється. Такі деформаційні процеси можуть розвиватися циклічно і приводять до зміни структури породного масиву, що викликає небезпечні деформації поверхні. Даний процес представляється у вигляді графіка (рис. 5).

0 tq1 t0        Т tq2 t

Рис. 5 Закономірність процесу деформації гідроактивізованого

породного масиву

На рисунку відрізок ОА відповідає пружній деформації, з часом розви­ваються в'язкі деформації (АВ1) і повзучість (В1С1). В результаті досягнення граничних напруг відбувається «гідророзрив» із зняттям напруги (C1D1) і рела­ксацією (D1K1). При цьому tq1 - час дії напруги, to - час релаксації, T=tqi + toi -період східчастих деформацій на i-ій стадії.

Найбільш адекватно такі середовища описуються рівняннями в'язкопру-жних східчастих деформацій. Для цього була розроблена вдосконалена реологі­чна модель Максвела-Кельвина-Фойгта.

Згідно даної моделі повна деформація системи рівняється:

Є = Є І +£ 2 +£ 3 +£ 4

Вирішення задачі дозволило отримати рівняння розвитку деформацій гідроактивізованого породного масиву:

de [ І,- - t/to. d ij 1 dt t dt    E EL dt m

Аналіз рівняння швидкості деформацій показує, що перший додаток ви­значає пружно-східчасті деформації, а другий - необоротні в'язкі. За­пропонована реологічна модель середовища і отримане рівняння швидкості де­формації, дозволяє розробити методику прогнозування небезпечних деформа­цій поверхні гідроактивізованого породного масиву. Вхідні параметри в рівнян­

+ - (І + e- t/toя визначаються фізико-механічними випробуваннями порід і гідродинамічни­ми дослідженнями свердловин.

У п'ятому розділі на прикладі Довжано-Ровеньківського геолого-про-ми-слового району була виконана типізація площ по активності прояву геодинамі­чних процесів та приведені натурні спостереження за їх проявами.

Виділення площ здійснювалося на основі аналізу наступних гірничо-гео­логічних признаків: наявність покривних відкладів і їх потужність; літологі­чний склад порід; багаторазові підроблення; глибина розробки; тектонічні порушення (ступень їх обводнення); потужність зони дроблення; кут падіння площини змістителя.

До І типу відносяться площі, на яких геодинамічні процеси активні.

Границями площі є: на півночі і півдні - виходи вугільного пласта і3 під покривні відклади на північному і південному крилах синкліналі; на заході -скид Валентинівський Західний І; на сході - скид Степанівський (рис. 6).

І/

і'

вісь

i,f. §[{[

синклінапТ'ІТТ 'К^—/*■--j

І   ІІ і

Шх. №5 "Дар'ївська Умовні позначення:

Ствол шахтиС——

 

Тектонічне порушення

JL

 

 

 

/в"

Кут падіння порід

 

Вугільний пласт

Межа площі розвитку геодинамічних процесів

Рис. 6 Площа розвитку геодинамічних процесів I типу

В геологічній будові площі беруть участь осадочні відклади середнього карбону, які перекриті відкладами четвертинного періоду. Дана площа характе­ризується наявністю багаторічних раніше затоплених старих шахт, тектонічних порушень, ширина порушених зон яких сягає 50-200 м. У межах таких зон вмі­щуючи породи хитливі через підвищену тріщинуватість, а також, у більшому своєму випадку, вони обводненні. Усі вище перераховані фактори сприяють розвитку техногенної тектонічної активності. Підтвердженням даного процесу можуть служити зафіксовані локальні землетруси в сел. Новодар'ївка (поле шх. №5 "Дар'ївська") 11.05.04 і 19.04.06, м. Ровеньки 19.04.2006, 19.10.2008 (поле шх. № 81 "Київська") і в сел. Калинівка (поле шх. № 1-2 "Дар'ївська") 19.04.06. Інтенсивність струсів склала 5-6 балів.

До II типу відносяться площі, на яких прояв геодинамічних процесів помірний (вірогідність близько 0,5).

Границями площі є: на заході - скид Кісельовський №2 і скид Дар'ївський ІІІ; на півночі - ізогіпса - 400 по пласту k21 до лінії Нагольного скиду і ізогіпса -500 на захід від скиду; на сході - лінія Довжанського ІІІ скиду; на півдні - вихід пласта hg на денну поверхню (рис. 7).

Тектонічне порушення

Межа площі розвитку геодинамічних процесів

Рис. 7 Площа розвитку геодинамічних процесів II типу

Четвертинні відклади представлені лесовидними суглинками і частково червоними дуже в'язкими глинами. Найбільша потужність відкладів спо­стерігається у центральній частині площі, де вони досягають 20 м. На опи­суваній площі розташовані закриті шахти №25 «Наклонна», №3 «Південно-Довжансь-ка» і ряд дрібних шахт (№ 18, № 28, № 47, № 48). Для всіх скидів ха­рактерні дуже малі зони дроблення порід, які не перевищують 5-15 метрів, за ступенем обводнення відносяться до II типу.

До III типу відносяться площі, на яких прояв геодинамічних процесів слабкий.

Границями площі є: на заході - лінія Довжанського ІІІ скиду; на півночі -вісь Довжано-Садкинської синкліналі; на сході - лінія Черновецького скиду; на півдні - вихід пласта hg на денну поверхню (рис. 8).

Геологічна будова практично така ж, як і у раніше описаних площ -осадочні утворення кам'яновугільної і четвертної систем. Для даної площі ха­рактерні безводні тектонічні порушення, круте залягання порід до 550, малізони дроблення, тому можна передбачити, що на даній площі геодинамічні про­цеси не одержать свого розвитку.

Рис. 8 Площа розвитку геодинамічних процесів III типу

На площі III типу, яка характеризується слабим проявом геодинамічних процесів, за період натурних спостережень геодинамічна ситуація була спокійною. Лише на окремих ділянках закритих шахт № 71 (площа, що прими­кає до південної околиці м. Свердловська) і Хмельницька № 1 (північно-західна частина сел. Калінінський) були відзначені локальні площі підтоплення.

На площі II типу, для якої характерний помірний прояв геодинамічних процесів, щодо цілої низки свердловин, розташованих на полях шахт «Харкі­вська», «Наклонна» і № 69, спостерігалися незначні виливи води. Крім цього були відзначені площі підтоплення в селищах Киселеве, Матвіївка, розташо­ваних на полях цих шахт.

На площі I типу, розташованій на схід від поперечного Ровенецького під­няття і що характеризується активним проявом геодинамічних процесів, протя­гом усього періоду спостережень відмічалися тривалі виливи води з свердло­вин, що знаходяться на полях колишніх Дар'ївських шахт (№ 1, 2, 5).

А також розвиток геодинамічних процесів на цій площі, пов'язаний з об'є­мним розподілом гідростатичного тиску в гірському масиві, став результатом прояву локальних гірничих ударів.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі закономірностей розвитку тріщинуватості, гірничо-геологічних і тектонічних особливостей гідроактивізованого складно структурного породного масиву у відкладах середнього карбону, гідродинамічними методами встановлені нові геодинамічні ефекти, які розвиваються у в'язкопружних породних масивах на полях закритих шахт Східного Донбасу, що має важливе значення для геологіч­ної характеристики підроблених територій.

Найважливіші наукові і практичні результати досліджень, висновки і рекомендації полягають у наступному:

1. Розвиток геодинамічних процесів у підроблених масивах переважно пов'язаний із закриттям і затопленням вугільних шахт.

2. Зміна інженерно-геологічних параметрів геологічного середовища при закритті шахт реалізується під впливом двох груп процесів - оборотних і необоротних.

3. До чинників, що зумовлюють виникнення і розвиток негативних наслі­дків для геологічного середовища і об'єктів поверхні в регіональному плані від­носяться:

- порушення динамічного і хімічного режимів підземної гідросфери;

- підтоплення земної поверхні в умовах обводнення породного масиву;

- активізація процесів зсовування порушених багатократною підробкою товщі гірських порід при водонасиченні;

- зміна фізико-механічних властивостей фундаменту будівель і споруд при обводненні ґрунтів.

4. За результами дослідження поглинання промивальної рідини в гідро-спостережних свердловинах виконана регіональна оцінка зміни тріщинуватості порід від глибини, на основі чого було виділено 4 зони розкритості тріщин. Гідроактивізація породного масиву безпосередньо визначається обводненністю та особливостями тектонічних порушень.

5. В процесі ліквідації вугільної шахти з повним затопленням вироблено­го простору відбувається активізація геодинамічних процесів в тріщинуватих зонах середнього карбону за рахунок гідродинамічної дії, що приводить до виникнення і розвитку нових ефектів: а) блокової перебудови масиву в зоні обвалення; б) гідродинамічного напруженого стану шарів порід в зоні прогина­ння; в) локального гірничого удару в зоні тектонічних порушень.

6. Після затоплення гірського масиву змінюються його фільтраційні і міц-нісні характеристики, внаслідок чого він набуває властивості в'язкопружного середовища. Найбільш адекватно такі середовища описуються рівняннями в'язкопружних східчастих деформацій, згідно вдосконаленої моделі Максвела-Кельвина-Фойгта.

7. Для умов Боково-Хрустальської і Довжано-Садкинської синкліналій виділені площі, на яких прояв геодинамічних процесів відбуватиметься з рі­зною інтенсивністю, з урахуванням геологічних, гідрогеологічних і тектонічних особливостей вуглепромислового району.

8. Практичне використовування результатів досліджень на території Східного Донбасу дозволить розробити заходи щодо зниження сейсмонебезпе-чністі підроблених територій і екологічних наслідків підземного видобутку вугілля.

Основні положення і результати дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Сергиенко Р.Н. Региональные изменения геомеханических и гидрогео­логических условий на полях закрытых шахт / Р.Н. Сергиенко, П.Н. Должиков, Л.Н. Дмитриева // Науковий вісник НГУ. - Дніпропетровськ, 2007. - № 5. - С.

9-11.

2. Сергиенко Р.Н. Реологическая модель и вязкоупругое деформирование подтопленного горного массива / Р.Н. Сергиенко, П.Н. Должиков, В.Д Рябичев // Проблемы горного дела и экологии горного производства: монография - До­нецк: "Вебер" (Донецкое отделение), 2007. - С. 136-141.

3. Сергиенко Р.Н. Тектонические нарушения - один из факторов гидро­активизации геомеханических процессов в породных массивах / Р.Н. Сергиен-ко, Г.М. Смородин, Ю.И. Кобзарь, А.Э. Кипко // Науковий вісник НГУ. - Дні­пропетровськ, 2008. - № 12. - С. 19-23.

4. Сергиенко Р.Н. Опасные деформации поверхности гидроактивизиро-ванного породного массива в регионах закрытия шахт / Р.Н. Сергиенко, П.Н. Должиков, В.Д Рябичев // Матеріали міжнародної науково-практичної конфе­ренції «Екологічна безпека техногенно перевантажених регіонів та раціональне використання надр». - Коктебель, 2007. - С. 47-50.

5. Сергієнко Р.М. Про деформованість гідроактивованих масивів тріщи­нуватих гірських порід / Р.М. Сергієнко, П.М. Должиков, В.О. Коструб // II Міжнародна науково-практична конференція «Економічні, екологічні та соціальні проблеми вугільних регіонів СНД».- Краснодон, 2008. - C. 75-81.

6. Сергиенко Р.Н. Влияние горных работ на экосистему Луганской обла­сти / Р.Н. Сергиенко, П.Н. Должиков // Прогрессивные технологии строитель­ства, безопасности и реструктуризация горных предприятий - Матер. науч. практ. шк. -семинара - Донецк: Норд-Пресс - 2008. - С. 85-88.

7. Сергиенко Р.Н. Исследование закономерностей развития открытой трещиноватости в горных породах / Р.Н. Сергиенко // Прогрессивные техноло­гии строительства, безопасности и реструктуризация горных предприятий -Матер. науч. практ. шк. - семинара - Донецк: Норд-Пресс - 2008. - С. 89-93.

8. Сергиенко Р.Н. Экзогенные геологические процессы, развитые на тер­ритории Луганской области / Р.Н. Сергиенко, Л.Н. Дмитриева // Тезисы докла­дов конференции «210 лет начала систематического государственного геологи­ческого исследования Донбасса» - Луганск, 2008 - С. 60-61.

9. Сергиенко Р.Н. Исследование зоны искусственной трещиноватости над очистными выработками / Р.Н. Сергиенко, Л.Н. Дмитриева, П.Н. Должиков // Проблемы горного дела и экологии горного производства: Матер. IV Междунар. науч. - практ. конф. (14-15 мая 2009г., г. Антрацит). - Донецк:

Норд-Пресс, 2009. - С. 63-67.

10. Сергиенко Р.Н. Закрытие шахт - один из факторов изменения состоя­ния геологической среды / Р.Н. Сергиенко, Л.Н. Дмитриева // Проблемы горно­го дела и экологии горного производства: монография - Донецк: "Вебер" (До­нецкое отделение), 2007. -С. 169-172.

11. Сергиенко Р.Н. Анализ результатов исследований проявлений реоло­гических свойств горного массива / Р.Н. Сергиенко, Ю.П. Должиков // Соверш. технол. строит. шахт и подз. соор. - Сб. науч. труд. - вып. №14 -Донецк: Норд-

Пресс - 2008. - С. 61-63.

12. Сергиенко Р.Н. Исследование и прогнозирование геодинамических процессов в подработанных породных массивах / Р.Н. Сергиенко, П.Н. Должи-ков // Вісник Східноукраїнського національного університету імені В.Даля. -Луганськ, 2010. - № 3(145). - С 428-431.

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

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