Обґрунтування гідрогеомеханічних параметрів стійкості водорозділяючих шарів в умовах згортання гірничих робіт

Abstract

Дисертаційна робота присвячена обґрунтуванню параметрів безпечного ведення гірничих робіт на основі встановлених закономірностей формування фільтраційної і геомеханічної стійкості водорозділяючих шарів з урахуванням зміни їх стану при затопленні вугільних і сольових шахт або окремих ділянок. В роботі доведено, що процеси кінетики розчинів, диз’юнктивні розриви, техногенні деформації вміщуючих бокових порід і водорозділяючих шарів враховуються параметрами гідравлічного підпору, розмірами фільтраційного перетину і гідрогеомеханічними властивостями шаруватої товщі, що дозволяє використовувати додатковий резерв стійкості бар'єрних ціликів, а також визначати рішення щодо згортання гірничих робіт. Методами моделювання геомеханічних процесів і процесів фільтрації при затопленні шахт оцінено гідро-геомеханічні параметри водорозділяючих шарів і ступінь ризику фільтраційного прориву води. Розроблена методика оцінки ризику прориву води через бар'єрні цілики вугільних шахт дозволила одержати економічний ефект понад 700 тис. грн.

В диссертации на основе установленных закономерностей формирования фильтрационной и геомеханической устойчивости водоразделяющих слоев (включая барьерные целики) обоснованы параметры, отвечающие условиям безопасного ведения горных работ при закрытии угольных и солевых шахт или участков шахтного поля, что имеет важное значение для реструктуризации гор- нодобывающей отрасли Украины. По результатам анализа имеющегося опыта ликвидации горных предпри- ятий установлено, что гидродинамические и геомеханические изменения в гор- ном массиве являются основным фактором, который необходимо учитывать при принятии технических решений при закрытии шахт. Эмпирические оценки и созданные модели, позволили реально оценить гидрогеологические измене- ния в горном массиве. Установлено, что размеры барьерных целиков меньше нормативных имеют запас устойчивости. Прорывы воды из затопленных гор- ных выработок в действующие происходят, в основном, в результате геомеха- нического взаимодействия затопленного массива и эксплуатируатируемых вы- работок. Впервые обоснован эмпирический подход к оценке ширины барьерных целиков угольных шахт, который учитывает особенности геофильтрации через боковые породы и предполагает отождествление в нормативной формуле глу- бины работ по величине гидравлического подпора, что позволяет точнее учесть гидравлическую устойчивость угольных целиков и боковых водоразделяющих слоев. Установлено, что аварийная ситуация может создаться в результате со- единения между собой действующих и затопленных выработок по трещинам горных пород и полезного ископаемого в результате изменения гидродинамиче- ского режима подземных вод. Для случаев отсутствия достоверных данных о величине коэффициента фильтрации боковых пород обоснована новая методи- ка расчета, учитывающая базовые соотношения основного закона фильтрации. Методика апробирована эмпирически и может быть применена на других шах- тах, ликвидация которых сопровождается фильтрацией воды в смежные шахты и требует определения уровня стабилизации затопления с повышенной точно- стью. Аналитическими методами и моделированием определены количествен- ные соотношения между кинетическими, геомеханическими и тектоническими факторами, влияющими на гидрогеомеханическую устойчивость водоразделяю- щих слоев диапиров соленосной структуры и определена доминантная роль ди- зьюнктивов в формировании водопритока в выработки. Установлено, что основными факторами, определяющими гидрогеомеха- ническую устойчивость водоразделяющих слоев являются процессы расклини- вающего действия растворов, дизъюнктивные и техногенные разрывные дефор- мации вмещающих песчаников, известняков и водоупоров солевых диапиров. Первый фактор учитывается величиной гидравлического подпора целика и раз- мерами фильтрационного пересечения пласта и прочных боковых пород в базо- вой формуле основного закона фильтрации, а другие определяют граничные условия второго и третьего рода в фильтрационной модели. Это позволяет ис- пользовать дополнительный резерв устойчивости барьерных целиков и опреде- лить зоны аномальных водопритоков в соляные шахты. Проведено последовательное сочетание плоских конечно-элементных геомеханических моделей сплошной и дискретной среды, а также модели не- стационарной фильтрации в конечных разностях, что определяет алгоритм, поз- воляющий оценить гидрогеомеханические параметры барьерных угольных це- ликов и степень риска фильтрационного прорыва воды: 1) фильтрационные по- токи формируются главным образом за счет ресурса подземных вод (80%) меж- ду верхними горизонтами и выработанным пространством пласта; 2) степень риска прорыва воды 0,33 на дискретной модели соответствует трехкратному запасу геомеханической устойчивости целика и обеспечивает использование инженерных подходов к определению размеров целика. Внедрение методических разработок и проектных рекомендаций позволя- ет оценить экономический эффект в сумме более 700 тыс. грн.

The dissertation provides the substantiation of safe mining parameters on the basis of established regularities of forming filtrational and geomechanical watershed layer sustainability with account for changes of their substance while closing down coal or salt mines as well as separate sites. The account of kinetic solution processes, disjunctive breaks, technogenic de- formation of enclosing rocks and watershed layers by hydraulic head parameters, fil- trational confluence size, hydraulic and geomechanical irregularities of bedded for- mation is proved. It permits to use supplementary rigidity barrier reserve and make decisions on closing-down mines. Hydraulic and geomechanical parameters of water- shed layers and filtration water irruption risk are estimated by modeling filtrational and geomechanical processes caused by mine flooding. The developed technique of water irruption risk assessment allows to get over 700 thousand UAH economic benefit.