Деформации горных выработок под действием потока п.в. Изучение ЗВТ под водными объектами

Важный комплекс гидрогеомеханических задач решается при изучении устойчивости горных выработок. При открытой разра­ботке месторождений решаются вопросы устойчивости откосов бортов карьеров при воздействии на них фильтрационного пото­ка, учитывая, что общая устойчивость откосов нарушается дейст­вием фильтрационных (гидродинамических) сил и ухудшением прочностных характеристик пород при увеличении влажности. Расчетами устойчивости определяется допустимый уклон откосов рабочих бортов карьеров и отвалов выработанных пород с учетом проектируемого дренажа.

Принципиальная постановка таких расчетов предполагает со­четание геомеханических расчетов устойчивости откосов и гео­фильтрационных расчетов потока, поступающего к откосу борта карьера, при задании различных условий водоотлива и дренажа. Такие расчеты позволяют установить связь между расчетным ук­лоном откоса и элементами фильтрационного потока в близи отко­са, обусловленными расходом воды отбираемой дренажом, на ос­новании чего может быть найдена оптимальное с технико-экономической точки зрения решение по разработке карьера и уст­ройству дренажной системы.

При решении вопросов устойчивости откосов, сложенных слабопроницаемыми породами, необходимо учитывать процессы нестационарной консолидации, при которых изменяются напря­жения и прочностные характеристики из-за изменений внешней нагрузки при разработке карьеров и, особенно, при снижении порового давления. Соответственно, формирование напряженно-деформируемого состояния в откосах карьеров в значительной мере обусловливается строением и динамикой фильтрационного потока в теле откоса. В связи с этим при постановке разведочных работ применительно к изучению устойчивости откосов карьеров существенную специфику имеет определение проницаемости слабопроницаемых (глинистых) слоев, способствующих вертикаль­ному расчленению фильтрационного потока в теле откоса. Для обоснования необходимой достоверности решения этой задачи по материалам полевых опытно-фильтрационных работ следует опи­раться на решение разведочных гидрогеомеханических задач, по­зволяющих оценить чувствительность результатов прогнозов ус­тойчивости откосов по отношению к проницаемости глинистых слоев.

При наличии в бортах карьера обводненных песчаных слоев могут существенно проявляться процессы оплывания откоса, ко­торые представляют собой деформацию песчаного откоса в преде­лах участка высачивания фильтрационного потока, вы­зываемую влиянием фильтрационных сил и гидродинамических сил стекающей по откосу воды. Размеры оплывины определяются гидрогеомеханическим расчетом, на основании которого устанавливается связь между размерами оплывающей части откоса (высоты высачивания и длины оплывины) и удель­ным расходом потока q_o, выходящего на откос. Вместе с тем гео­фильтрационными расчетами потока, притекающего к карьеру, устанавливается связь между удельным расходом отбора воды дренажом и расходом потока на откосе q₀. Исходя из таких расчетов находится оптимальное в технико-экономическом плане решение по устройству дренажа, защищающего откос борта карьера.

Стабилизацию оплывания можно достигнуть пригрузкой от­коса в пределах участка высачивания песчано-гравийным мате­риалом. В связи с этим эффективным может быть решение, при котором дренажные скважины рассчитываются на ограничение оплывания в период разработки карьера в пределах дренируемого водоносного пласта, после чего оплывание стабилизируется уст­ройством пригрузки откоса с сокращением откачки из дренажных скважин. Следует иметь в виду, что непредсказуемое развитие оплывания происходит при подрезке оплывины, когда она может локализоваться на отдельных участках с образованием крупных промоин.

При наличии под горными выработками напорных горизон­тов может проявляться опасность проявления в основании выработок деформаций фильтрационного выпора, обычно выражаемого в форме восходящих грифонов (Шестаков, 1998).

В процессе проходки горных выработок под водными объек­тами опасные деформации возникают при обрушении горных по­род в подработанном массиве. Эти деформации приводят к нару­шением структуры массива с образованием зоны водопроводящих трещин (ЗВТ) повышенной проницаемости, развитие которой мо­жет вызывать недопустимые по техническим условиям объекта притоки в выработки. Как показывают натурные наблюдения, на угольных месторождениях оседание поверхности при подработке ее с управлением обрушением кровли составляет (0,7 - 0,9)m_M, где mm - мощность вынутого угольного пласта, а ЗВТ достигает раз­меров (40 - 60)тпл. Пока что не имеется обоснованных моделей количественных оценок этого процесса, в связи с чем особое зна­чение приобретают натурные наблюдения за размерами ЗВТ, для чего используются различные методы.

Метод пьезометрических наблюдений основан на эффекте по­нижения давлений (напоров) в пределах ЗВТ после его образова­ния и реализуется устройством гирлянды пьезометрических сква­жин; при малой проницаемости пород ЗВТ рекомендуется вместо открытых пьезометрических скважин закладывать малоинерцион­ные манометры-датчики порового давления.

Метод удельных водопоглощений основан на анализе результатов опыт­ных нагнетаний воды в один и тот же слой или свиты слоев до и после их подработки, что дает возможность оценивать высоту ЗВТ не только в обводненном, но и в полностью осушенном массиве, представленном чередованием относительно водопроницаемых и относительно водоупорных слоев. Метод расходометрического каротажа основан на возможности фиксации расходомерами зон повышенной трещиноватности по данным распределения погло­щений воды в скважине. Метод температурных наблюдений осно­ван на том, что в ЗВТ из-за нарушения режима фильтрации и про­никновения воздуха меняется температурный режим; для проведе­ния наблюдений за изменением температуры в массиве бурят скважину, в которую опускают гирлянду датчиков температуры, заполняя далее скважину глинистым раствором для изоляции дат­чиков (рис. 4.36). Метод сейсмического прозвучивания ЗВТ осно­ван на эффекте снижения скоростей волн в подработанном массиве на участках образования трещин и осушенных пород, — упру­гие волны возбуждаются и принимаются на одних уровнях в скважинах, расположенных по разным сторонам выработанного пространства, с помощью сейсмоакустической аппаратуры.

13.Управление потоками п.в., притекающих к горным выработкам. Устройство ПФЗ вокруг горных выработок. Загрязнение окр среды от хвостохранилищ.

Горно-промышленная гидрогеология рассматривает гидро­геологическое обоснование ведения горных работ при разработке месторождений твердых полезных ископаемых (МТПИ) для гор­норудной, угольной и горнохимической промышленности. Эти задачи решаются на стадиях строительства горнорудного объекта, промышленного освоения (эксплуатации) месторождения и кон­сервации объекта.

Водопритоки и дренаж в горных выработкахНаиболее крупные водопритоки (до 500 тыс.м³/сут), сущест­венно осложняющие условия ведения горных работ, формируются в массивах карбонатных пород, характерных для Уральской гор­норудной провинции. Гидрогеологические условия таких массивов характеризуются значительной фильтрационной неоднородно­стью, обусловленной прежде всего вертикальной гидрогеологиче­ской зональностью карбонатного массива, которая обычно прояв­ляется в образовании трех основных зон в разрезе: инфлюации трещинно-карстовых вод, активного подземного стока, замедлен­ного подземного стока. Соответственно, по мере заглубления гор­ных выработок приращение водопритоков к ним закономерно снижается. На проявления такой зональности накладывается влияние незакономерной неоднородности, обусловливаемой не­равномерной трещиноватостью массива, причем наибольшие во­допритоки формируются на участках повышенной трещиновато-сти и закарстованности, между которыми горные выработки могут быть слабо обводненными. Трещинно-карстовые воды карбонат­ных массивов, как правило, тесно связаны с водотоками, из кото­рых формируются значительная часть водопритоков в горные вы­работки (Плотников, Рогинец, 1987).

Основным средством управления водопритоками в горные выработки являются дренажные скважины: в карьерах, включаю­щие контурные системы насосных скважин, а в подземных выра­ботках, включающие системы сквозных скважин, забуриваемых в штрек с поверхности земли, и восстающих скважин, забуриваемых или забиваемых из штрека.

Для уменьшения водопритоков, необходимость чего особенно актуальна при наличии загрязненных подземных вод, используют­ся различные виды противофильтрационных завес (ПФЗ).

При изоляции участка потока небольшой глубины, в частности во­круг хвостохранилищ, применяются ПФЗ типа "стена в грунте", которая выполняется в виде траншеи, прокладываемой с помощью экскаваторов или специальных агрегатов и заполняемый глинистым материалом. Ко­эффициент фильтрации таких стенок составляет 10~² - 10"⁴ м/сут. Такие завесы делаются на всю мощность водоносного пласта до водоупора глу­биной до 20 м, а при использование специального оборудования глубиной до 50 м. Для создания ПФЗ на больших глубинах (порядка сотен метров) применяются инъекционные завесы, сооружаемые путем закачки в гор­ные породы (в основном, трещиноватые) тампонажных смесей под дав­лением. Использование инъекционных ПФЗ ограничивается их высокой стоимостью и неопределенностью надежности, связанной также с неясно­стью представлений о методах контроля сплошности завесы, основы ко­торых обычно составляют поинтервальные опытные нагнетания.

Гидрогеологическое прогнозирование эффекта от действия системы дренажа обычно осуществляется различным путем для потоков пластового строения и для массивов трещинных пород: для пластовых потоков используется методы геофильтрационных расчетов а для потоков в массивах трещинных пород из-за повышенной неоднородности в значительной мере приходится опираться на эмпирические и по­луэмпирические зависимости водопритоков в выработки от глуби­ны и площади их распространения. Во всех случаях гидрогеодинамические расчеты основываются на геофильт­рационный схематизации потока подземных вод с определением параметров по данным опытно-фильтрационных опробовании и наблюдении (ОФО и ОФН). Комплекс ОФО и ОФН должен уста­навливаться применительно к определенным геолого-гидрогеологическим условиям и технологии разработки МТПИ, обеспечивая достаточно ясное представления о всех элементах геофильтрационной схемы. В качестве основных видов ОФО обычно рекомендуется применять кустовые откачки. Однако спра­ведливость такой рекомендации нередко и не без оснований под­вергается сомнениям. Это особенно относится к опробованиям неоднородных массивов горных пород с водотоками вблизи разра­батываемого месторождения. В таких случаях опытные откачки нередко приводят к неопределенным результатам, а достаточно достоверные данные могут быть получены только на основание материалов опытно-эксплуатационного водопонижения (Норватов, 1988).

Большое значение для совершенствования гидрогеодинамиче­ского прогнозирования имеет постановка наблюдений за элемен­тами потока подземных вод в рамках мониторинга с его модель­ной и проектной ориентированностью. Особенно это относится к гидрогеологическому обоснованию крупномасштабных воздейст­вий объектов горных работ на поток подземных вод, которое осу­ществляется на основе регионального геофильтрационного моделирования с созданием ПДМ. При этом основными вопросами, подлежащими изучению, являются: условия питания и взаимодей­ствия водоносных горизонтов, связь подземных вод с водотоками и водоемами, включая гидроотвалы и хвостохранилища, гео­фильтрационные параметры водоносных и разделяющих пластов. Особенно важно использование данных натурных наблюдении для прогнозов водопритоков в массивах карбонатных пород, где мате­риалы гидрогеологической разведки обычно не дают возможности получить достоверное обоснование геофильтрационной схемати­зации.

Существенной проблемой на объектах горных работ является использование воды, поступающей в дренирующие устройства и горные выработки, для водоснабжения. Целесообразность такого решения несомненна, однако его реализация нередко осложняется трудностями оценки возможного водоотбора и организационной разобщенностью решения вопросов горных разработок и водо­снабжения. Наиболее сложным является обоснование качества воды, отбираемой в горных выработках, в соответствии с конди­ционными требованиями водоснабжения. С этой точки зрения значительно различаются дренажные воды, забираемые глубин­ными дренажными скважинами, и карьерные или шахтные воды, собираемые внутренними дренажными устройствами. При этом дренажные воды обычно достаточно хорошо защищены от внеш­них воздействий и их использование могут рассматриваться для хозяйственно-питьевого водоснабжения, а карьерные и шахтные воды имеют в значительной мере ухудшенное качество из-за по­вышенных техногенных загрязняющих воздействий и обычно мо­гут использоваться только для технических целей.

При наличии в глубоких горизонтах минерализированных вод, попадающих в область влияния дренажа, целесообразно орга­низовывать отбор дренажных вод для водоснабжения дифферен­цированно по глубине, отделяя дренажные скважины, откачиваю­щие пресные воды, от глубоких скважин, забирающих минерали­зованные воды. Следует иметь в виду особенность обоснования водоотбора из дренажных сооружений связанную с тем, что расче­ты водоотбора для водоснабжения должны производиться по ми­нимуму возможных водопритоков,тогда как при расчетах дренажа водопритоки оцениваются по их максимальному значению.

На условия эксплуатации некоторых месторождений сущест­венное влияние оказывает повышенная газоносность. Газонос­ность угольных месторождений нередко определяется процессами дегазации угольных пластов, залегающих ниже по разрезу рудных залежей (преимущественно метан, в меньшей степени углекислый газ), присутствие газов может быть также объяснено их глубин­ным происхождением (преимущественно углекислый газ, метан, сероводород). Основными путями миграции газа на рудных объек­тах является крутопадающие тектонические нарушения, сопровож­даемые зонами дробления, в том числе и по рудным жилам. Под­земные воды на объектах играют положительную роль в естест­венной дегазации угольных пластов и рудных тел, приобретая в зоне азотно-метановых газов сульфатно-кальциево-натриевый со­став и повышенную минерализацию. На рудных месторождениях, расположенных в области распространения многолетнемерзлых пород, насыщенные газом подмерзлотные воды имеют очень высо­кую минерализацию — от 40 - 60 до 270 - 370 г/л; по составу они относятся к хлоридно-кальциевым рассолам.

Присутствие природного газа усложняет техногенную обста­новку промышленного вскрытия рудных месторождений, — в под­земных горных выработках рудничный воздух интенсивно насы­щается углекислым газом и метаном, что требует принятия допол­нительных мер защиты для безопасности работ, а также при сбро­се рудничных вод на поверхность выделение газа загрязняет окру­жающую среду (Плотников, Рогинец, 1987).

15.Основные проблемы деформирования глубоких флюидов.

В настоящее время проблема формирования глубоких флюи­дов далека от своего решения. Связано это в первую очередь со сложно­стью объекта исследования.

1. Сложность объекта исследования заключается в том, что:

а) глубокие флюиды обладают переменной в пространстве плотнос­тью, в связи с чем, возникает" ряд методических сложностей при оценке направлений и скоростей движения флюидов. На практике это приво­дит к тому, что для одного и того же региона (участка разведки) на одном и том же фактическом материале различными исследователями строятся пьезометрические карты с разнонаправленными, нередко про­тивоположными направлениями движения глубоких флюидов. Оценка перспектив, например нефтегазоносная, основанная на этих картах, вызывает серьезные сомнения;

б) формирование глубоких флюидов осуществляется в упруго дефор­мируемых средах. А это значит, что при всех гидрогеологических пост­роениях необходимо учитывать внешнее воздействие, т.е. влияние есте­ственных геодинамических процессов, а в нарушенных хозяйственной деятельностью человека условиях (снижение пластовых давлений при эксплуатации месторождений полезных ископаемых или повышение пластовых давлений при закачке жидких промышленных отходов) -антропогенное воздействие. Необходимость учета внешнего воздействия на систему флюид - горная порода приводят к значительному усложне­нию уравнений, описывающих движение флюида в подобных условиях;

в) формирование глубоких флюидов нередко сопровождается фазо­выми переходами в системе флюид-горная порода. Эти взаимосвязан­ные процессы при переменных во времени термодинамических условиях (давления, температуры) приводят к существенному изменению емкост­ных и фильтрационных свойств флюидовмещающих пород, изменению химического и газового состава флюидов и их температуры, новоминералообразованию, т.е. к частичному или полному преобразованию как пород, так и флюида. Взаимосвязанность процессов проявляется, напри­мер, в следующем. В результате геодинамических процессов одни участ­ки осадочного чехла артезианских бассейнов испытывают сжатие, а другие растяжение. Повышение внешнего давления (которое распреде­ляется между твердой и жидкой фазами) приводит к повышению раство­римости многих минералов и пород, особенно там, где площадь контак­тов твердой фазы минимальна (выпуклые стенки трещин, контакты меж­ду зернами несцементированных пород и т.п.), а давление при прочих равных условиях максимально. В этом случае часть твердой фазы пере­ходит в раствор, концентрация и плотность которого повышается. На участках растяжения процесс обратный - падение давления приводит к переходу растворенного вещества в твердую фазу. Эти процессы проис­ходят с поглощением или выделением тепла, что приводит к изменению температуры в системе флюид порода. В силу многообразия и неодно­родности минералого-литологического состава пород, неоднородности теплового и гидрогеодинамического полей, неоднородности поля на­пряженности эти процессы протекают с разной интенсивностью и с раз­ными последствиями в каждой точке пространства, что формирует су­щественную неоднородность многих геологических и физических полей.

Именно по этим причинам проблема формирования глубоких флюидов является не только гидрогеологической, но в значительной степени геологической. Без привлечения достижений смежных геологических наук о Земле (истории геологического развития, геодинамики, геохимии, ли­тологии, минералогии, механики грунтов, термодинамики и др.) решить ее практически невозможно. По этой причине для ее успешного реше­ния необходим комплексный подход.

2. Второй важной причиной является отсутствие методологии изуче­ния гидрогеологии нефтегазоносных горизонтов. В настоящее время преобладает, к сожалению, односторонний подход. Часто изучаются отдельные аспекты этой проблемы в отрыве от других. Например, все выводы о гидрогеодинамике базируются в основном на анализе пьезо­метрической поверхности без изучения емкостных и фильтрационных свойств вмещающих пород.

Нередко при изучении формирования глубоких флюидов исследо­ватели выдвигают какую-либо гипотезу, которой отводится доминиру­ющая роль, и забывают при этом о многофакторности их формирова­ния, т.е. отсутствует комплексный подход и всесторонний анализ с ко­личественной оценкой (хотя бы в факторно-диапазонной постановке) всех возможных процессов, совместно или порознь определяющих фор­мирование глубоких флюидов нефтегазоносных (артезианских) бассей­нов. В большом объеме фактического материала они ищут подтвержде­ние этой гипотезы и, как правило, находят.

3.Третьей причиной,определяющей сложность решения проблемы формирования глубоких флюидов, является крайне неравномерная сте­пень изученности глубоких горизонтов нефтегазоносных (артезианских) бассейнов как в плане, так и в разрезе. В плане точки опробования мо­гут отстоять друг от друга на десятки, иногда сотни километров, а в разрезе - на десятки и сотни метров. Высокая стоимость бурения и оп­робования глубоких горизонтов нефтегазоносных (артезианских) бас­сейнов не позволяет достигнуть необходимой детальности их изучения. Это обстоятельство необходимо учитывать при решении практических задач, отдавать отчет в достоверности получаемых результатов и осто­рожно относиться к получаемым выводам.

Некоторые из научных проблем гидрогеологии глубоких горизонтов можно представить следующим образом: а) движутся или не дви­жутся глубокие флюиды, и если движутся, то под действием каких сил'?; б) положение в пространстве областей питания, движения и разгрузки глубоких флюидов; в) роль вмещающих пород (включая глинистые) в формировании глубоких флюидов; г) палеогидрогеологические аспек­ты формирования глубоких флюидов; д) взаимодействие фундамента и осадочного чехла нефтегазоносных (артезианских) бассейнов; е) геоди­намика и формирование глубоких флюидов и др.