ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ВОДОРАЗДЕЛЯЮЩИХ СЛОЕВ В УСЛОВИЯХ СВЕРТЫВАНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ : ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ГИДРОГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ СТІЙКОСТІ ВОДОРАЗДЕЛЯЮЩИХ ШАРІВ В УМОВАХ ЗГОРТАННЯ ГІРНИЧИХ РОБІТ

Научный руководитель Дрибан Виктор Александрович доктор технических наук, с.н.с.

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….. 4 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПО ОЦЕНКЕ ГИДРОБЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЗАКРЫТИИ ШАХТ…………..………. 10 1.1. Научно-методические подходы к оценке водоразделяющих слоев и ус-тойчивости барьерных целиков ………. 10 1.2. Расчетные методы определения размеров барьерных целиков…………. 19 1.3. Оценка геомеханического и фильтрационного состояния барьерных целиков в связи с закрытием шахт. 22 Выводы к разделу 1 ……………………………………………. 27 2 АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ ФИЛЬТРАЦИЮ И ПРОРЫВЫ ВОДЫ ЧЕРЕЗ ВОДОРАЗДЕЛЯЮЩИЕ СЛОИ…………. 29 2.1. Особенности формирования прорывов воды в горные выработки через барьерные целики ……………………………………………………………… 29 2.2. Анализ фактических данных об устойчивости ненормативных уголь-ных целиков в условиях затопления………………………………………… 37 2.3. Эмпирический подход к оценке устойчивости ненормативных барьер-ных целиков при затоплении шахт …………………………………………. 43 2.4. Эмпирическая оценка фильтрации через разделительные междушахт-ные массивы при затоплении шахт …………………………………………. 47 2.5. Геолого-гидрогеологические данные о диапировой структуре, нару-шенной горными работами и фильтрацией воды …………………………. 52 2.6. Геомеханическая оценка состояния на рудниках Солотвинского место-рождения каменной соли ……………………………………………………. 57 2.7. Исследования миграции жидкости в техногенно нарушенном пород-ном массиве……………………………………………………………………. 61 Выводы к разделу 2……………………………………………………………. 69 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВОДОРАЗДЕЛЯЮЩИХ СЛОЕВ……………………………………………. 71 3.1. Методика моделирования фильтрационных потоков ………………….. 71 3.2. Моделирование перетоков на шахтном поле …………………………… 75 3.3. Геофильтрационное состояние водоразделяющих слоев в диапировом куполе, нарушенном горными работами ………………………………. 90 3.4. Моделирование геодинамических процессов в диапировом куполе, нарушенном горными работами ……………………………………………… 100 3.4.1. Постановочные аспекты………………………………………………… 100 3.4.2. Обоснование метода численного математического моделирования напряженно-деформированного состояния подработанной толщи…………. 105 3.4.3. Основные результаты численного математического моделирования процесса необратимых сдвигов толщи в окрестности шахты №9…………… 109 Выводы к разделу 3……………………………………………………………. 127 4 ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ РИСКА ПРОРЫВА ВОДЫ ЧЕРЕЗ БАРЬЕРНЫЕ ЦЕЛИКИ….………………………………… 129 4.1. Выбор и обоснование критических сечений барьерных целиков ……… 129 4.2. Оценка нарушенного состояния массива для выделения области фильтрации воды ……………………………………………………………….. 149 4.3. Оценка притоков воды и риска ее прорыва через барьерные целики ….. 166 Выводы к разделу 4……………………………………………………………. 183 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………….………………………… … 185 ПРИЛОЖЕНИЯ……………………………………………………………….. 187 Приложение А…………………………………………………………………. 188 Приложение Б…………………………………………………………………… 189 Список использованных источников ………………………………………….. 190

Актуальность темы. Украина входит в 10 ведущих стран мира по объе-мам горнодобывающих предприятий. При этом удельная площадь ее территории составляет лишь 2%, что определило добычу твердых полезных ископаемых как фактор образования концентрированной техногенно-геологической системы в пределах страны. Ведение подземных горных работ приводит к изменениям в гидрогеологической системе, к осадкам земной поверхности над выработанным пространством и является причиной появления негативных явлений (например, выделение газа, провалы поверхности, подтопление и др.). Последние 20 лет в рамках реструктуризации горной промышленности остро стоит вопрос о прекращении работы водоотливных комплексов ликвиди-рованных шахт и рудников. В результате реализации этого решения выработан-ное пространство затапливается и создает угрозу безопасности горным работам на смежных предприятиях. Существующие в настоящее время нормативные документы не достаточно учитывают параметры расчета устойчивости водоразделяющих слоев и барьер-ных целиков в затопленных выработках, что необходимо для безопасного веде-ния горных работ на шахтах смежных с затопляемой. Результаты исследований, положенные в основу обоснований этих нормативов, получены в период восста-новления затопленных в годы войны шахт и рудников, когда глубина горных вы-работок не превышала 300 метров. За последнее время научно обоснованные подходы, учитывающие как геомеханические, так и гидродинамические факторы формирования гидрогеомеханической устойчивости водоупоров и барьерных це-ликов являются редкостью. Поэтому изучение геомеханических и фильтрацион-ных процессов в горном массиве при затоплении выработанного пространства в условиях реструктуризации горной промышленности, а также разработка мето-дики расчета параметров гидрогеомеханической устойчивости водоразделяющих слоев и барьерных целиков, которые являются основным элементом безопасно-сти ведения горных работ вблизи затопленных выработок, является актуальной научной и практической задачей. Связь работы с научными программами, планами и темами. Исследо-вания выполнены в соответствии с программой научно-исследовательских работ Украинского государственного научно-исследовательского и проектно-конструкторского института горной геологии, геомеханики и маркшейдерского дела Национальной академии наук Украины (УкрНИМИ НАН Украины) и в со-ответствии с планами научно-исследовательских работ Национальной академии наук Украины по темам: № III-16/11 "Геомеханические, гидрогеологические и геологические процессы в горных массивах при консервации горнодобывающих предприятий", № ДР 0110U007406 и хоздоговорных тем 89с/11-708 "Гидрогео-логический прогноз последствий затопления горных выработок ш. им. Н.А. Изо-това, ликвидируемой с определением устойчивости барьерных целиков "; 29с/11-140 "Гидрогеологический прогноз последствий затопления ш. "Объединенная" для гидрозащиты ш. "Шахтерская-Глубокая"; 108/12 "Гидрогеологический про-гноз с рассмотрением надежности гидравлических связей между шахтами № 6 "Красная Звезда" и № 9 "Капитальная"; 149Д/12 "Гидрогеологический вывод о последствиях затопления горных выработок ш. «Славяносербская» и их влияние на действующую ш. "Черкасская "ГП" Луганскуголь"; № ДР 0107U009246 «Про-ведение гидрогеологических и инженерно-геологических исследований с целью установления мест проникновения воды в шахты Солотвинского солерудника и выполнения исследований геомеханических процессов при разработке Солот-винского месторождения каменной соли и влияния деятельности соляных шахт на окружающую природную среду; № ДР 0110U005763 «Разработка научно тех-нических мероприятий по предотвращению экологически опасных последствий подтопления шахты № 8 государственного предприятия «Солотвинский соле-рудник» на основании результатов комплексных исследований многолетней экс-плуатации шахт № 8 и № 9» и др. Цель работы. Обоснование параметров устойчивости водоразделяющих слоев в условиях затопления шахт с учетом изменения геомеханического и гео-фильтрационного состояния массива и водоупоров над выработанным простран-ством. В связи с этим в диссертационной работе сформулированы и решены сле-дующие задачи: 1. Выполнить анализ водоразделяющих слоев и угольных целиков на шах-тах Донбасса и водоупоров диапировых структур, систематизировать случаи прорывов воды из затопленных выработок в рабочее пространство. 2. Определить закономерности формирования гидродинамического режима фильтрации через водоразделяющие слои по результатам натурных наблюдений и численного математического моделирования геофильтрации. 3. Обосновать эмпирико-аналитические подходы к количественной оценке гидрогеомеханической устойчивости водоразделяющих слоев. 4. Установить закономерности протекания гидрогеомеханических процес-сов в горном массиве при приближении очистных выработок к водоразделяю-щим слоям. 5. Разработать методику оценки риска прорыва воды через барьерные це-лики. Идея работы заключается в учете особенностей проявлений геомеханиче-ских и геофильтрационных процессов при определении параметров устойчиво-сти водоразделяющих слоев в условиях сворачивания горных работ. Объект исследований - гидрогеомеханические процессы, протекающие в горном массиве вблизи водоразделяющих слоев при эксплуатации и затоплении шахт. Предмет исследований - параметры фильтрационной и геомеханической устойчивости водоразделяющих слоев между шахтами, участками шахтного по-ля и водоносными горизонтами. Методы исследований. При выполнении работы были использованы ком-плексные исследования, включающие анализ и систематизацию данных, литера-турных источников, анализ результатов шахтных экспериментов, обобщение данных натурных наблюдений при затоплении ликвидированных шахт Донбасса и шахт Солотвинского месторождения соли, аналитические расчеты и эмпириче-ский анализ фактических данных, численное моделирование фильтрационных и геомеханических процессов, инженерную апробации результатов.

Диссертация является завершенной научно-исследовательской работой, в которой на основе впервые установленных закономерностей формирования фильтрационной и гидрогеомеханической устойчивости водоразделяющих слоев решена актуальная научно - техническая задача по обоснованию их геометрических, геомеханических, фильтрационных и временных параметров, соответствующих условиям безопасного ведения горных работ при закрытии смежных шахт или участков шахтного поля, имеющей важное значение для реструктуризации горнодобывающей отрасли Украины. Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем. 1. Имеющийся опыт ликвидации горных предприятий показывает, что гидрогеологические и геомеханические изменения в горном массиве являются главным фактором, который необходимо учитывать при принятии технических решений по закрытию шахт. Это обстоятельство определило необходимость эмпирических оценок и использования моделей, позволяющих оценивать гидрогеомеханические изменения в горном массиве. 2. Впервые обоснован эмпирический подход к оценке ширины барьерных целиков угольных шахт, который учитывает особенности геофильтрации через боковые породы и предполагает отождествление в нормативной формуле глубины работ с величиной гидравлического подпора, что позволяет точнее учесть гидравлическую устойчивость угольных целиков и боковых водоразделяющих слоев. 3. Установлено, что аварийная ситуация может произойти в результате соединения между собой действующих и затопленных выработок по трещинам горных пород и полезного ископаемого в результате изменения гидродинамического режима подземных вод. Для случаев отсутствия достоверных данных о величине коэффициента фильтрации боковых пород обоснована новая методика расчета, учитывающая базовые соотношения основного закона фильтрации. Методика апробирована эмпирически и может быть применена на других шахтах, ликвидация которых сопровождается фильтрацией воды в смежные шахты и требует определения уровня стабилизации затопления с повышенной точностью. 4. Аналитическими методами и моделированием определены количественные соотношения между кинетическими, геомеханическими и тектоническими факторами, влияющими на гидрогеомеханическую устойчивость водоразделяющих слоев диапира соленосной структуры и определена доминантная роль дизьюнктивов в формировании водопритока в выработки. 5. Установлено, что основными факторами, определяющими гидрогеомеханическую устойчивость водоразделяющих слоев являются процессы расклинивающего действия растворов, дизъюнктивные и техногенные разрывные деформации вмещающих песчаников, известняков и водоупоров солевых диапир. Первый фактор учитывается величиной гидравлического подпора целика и размерами фильтрационного пересечения пласта и прочных боковых пород в базовой формуле основного закона фильтрации, а другие определяют граничные условия второго и третьего рода в фильтрационной модели. Это позволяет использовать дополнительный резерв устойчивости барьерных целиков и определять зоны аномальных водопритоков в соляные шахты. 6. Проведенное последовательное сочетание плоских геомеханических моделей сплошной и дискретной среды, а также модели нестационарной фильтрации определяют алгоритм, позволяющий оценить гидрогеомеханические параметры барьерных угольных целиков и степень риска фильтрационного прорыва воды: 1) фильтрационные потоки формируются главным образом за счет ресурса подземных вод (80 %) между верхними горизонтами и выработанным пространством пласта; 2) степень риска прорыва воды до 0,33 обеспечивает геомеханическую устойчивость целика и соответствует трехкратному запасу прочности. 7. Экономический эффект от использования рекомендаций по расчету устойчивости барьерных целиков на шахте им. Н.А. Изотова составил 375000 грн., на шахтах № 6 «Красная Звезда» и № 9 «Капитальная» 350 000 грн.