Способ определения высоты зоны водопроводящих трещин в массиве горных пород Советский патент 1984 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при изучении и контроле геомеханического состояния подработанной горными выработками породной толщи, в частности, являющейся водозащитной. Известен способ определения высоты зоны распространения трещин в породах кровли, основанный на пневмокаротаже скважин, пробуренных из подземных выработок 1. Однако он не позволяет установить величину деформаций, при которых происходит нарущение сплошности породных слоев, и, следовательно, не позволяет своевременно принимать меры для снижения вредного влияния горных работ. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения высоты зоны водопроводящих трещин в массиве горных пород, включающий определение деформации горных пород путем измерения их оседания, по достижении которой предельной величины определяют появление водопроводящих трещин. Данный способ основан на том, что нарушение сплошности массива, приводящее к появлению водопроводящих трещин, происходит при искривлении слоев пород кровли выше некоторой предельной величины 2. Указанный способ характеризуется низкой точностью, так как растрескивание массива пород не всегда сопровождается искривлением его слоев. Кроме того, этот способ не позволяет прогнозировать развитие трещинообразования в породах водозащитной толщи. Цель изобретения - повыщение точности и возможность прогнозирования нарушения сплошности отдельных слоев водозащитной толщи. Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения высоты зоны водопроводящих трещин в массиве горных пород, включающему определение деформации горных пород путем измерения их оседания, по достижении которой предельной величины определяют появление водопроводящих трещин, в каждом слое пород измеряют горизонтальные смещения и скорость оседания , появление водопроводящих трещин в каждом породном слое определяют по достижении предельной величины горизонтальных деформаций пород данного слоя, при этом предельную величину горизонтальной деформации определяют в соответствии с величиной скорости оседания по тарировочной зависимости, полученной, например, путем измерения деформации и проведения пневмокаротажа на предыдущих этапах отработки месторождения. Способ осуществляют следующим образом. При отработке одного или нескольких пологозалегаюших пластов полезного ископаемого под водным объектом определяется по данным разведочного бурения мощность породной толщи, которая может служить водозащитной. Необходимая мощность водозащитной толщи зависит от целого ряда факторов (физико-механических свойств пород толщи, параметров системы разработки, способа управления кровлей, вынимаемой мощности пласта и т.д.). Известно, что при управлении горным давлением полным обрущением кровли мощность водозащитной толщи (ВЗТ) должна быть не менее сорокакратной мощности вынимаемого пласта, при других способах управления горным давлением мощность ВЗТ .может быть меньшей. Учитывая все факторы, определяют глубину бурения восстающих скважин и выбирают наиболее характерные породные слои для установки в них реперов. Скважины бурятся из опережающей фронт очистных работ специальной выработки, пройденной перпендикулярно предполагаемой границе массив-выработанное пространство с заходом в массив для расположения нулевой скважины вне зоны влияния горных работ. В дальнейшем эта выработка может использоваться в качестве вентиляционной или транспортной. Расстояния между скважинами и их количество принимается, исходя из конкретных горно-технических и горно-геологических условий. Размер диаметра скважины принимается таким, чтобы избежать контактирования отвесов реперов между собой и стенками скважины при ее искривлении вследствие последовательного смещения породных слоев, начиная с непосредственной кровли (устья скважины), и может быть определен из выражения ,2(й V + Ь ct ofj ; где 4- -диаметр скважины; д -возможные максимальные горизонтальные смещения устья скважины; -возможные максимальные горизонтальные смещения верхнего слоя; ti -расстояние от устья скважины до верхнего репера; о( -угол максимального отклонения оси скважины от вертикали. В почве выработки под скважиной устанавливается неподвижный контурный репер, относительно которого гъроизводится измерение вертикальных смещений отвесов и горизонтальное отклонение каждого из них от первоначального положения сразу же после установки реперов в скважине. Зная абсолютные отметки контурных реперов и периодически измеряя расстояния между ними для контроля возможного получения пород почвы, по смещениям отвесов вычисляют величины вертикальных и горизонтальных деформаций соответствующих слоев пород толщи. Для повышения точности измерений горизонтальных смещений производятся дублирующие замеры расстояний между отвесами от реперов, заложенных в одних и тех же слоях пород. Развитие высоты зоны трещинообразования и определение момента нарушения сплощности каждого слоя с реперами осуществляется с помощью периодических каротажей (гидравлического и электрического) в контрольных скважинах, пробуренных рядом с реперными. По результатам измерений горизонтальных деформаций отдельных слоев породной толщи строятся графики изменения относительных деформаций до достижения ими предельных значений, как показано на фиг. 1. По этим данным определяется зависимость развития зоны трещиноватости во времени для конкретных горно-геологических и горнотехнических условий от расстояния до верхней границы водозащитной толщи Hj, ее строения и физико-механических характеристик отдельных породных слоев вынимаемой мощности пласта m и величины извлечения (t). Па фиг. 2 приведен типовой график указанной зависимости, по которому с достаточной точностью можно определить срок достижения водопроводящими трещинами верхней границы водозащитной толщи и принять при необходимости предохранитель-ные меры, например, уменьшить извлечение или произвести закладку выработанного пространства. Проведение измерений горизонтальных деформаций при различных соотношениях вынимаемой мощности пласта гп и извлечения Ы позволяет получить общую закономерность, приведенную на фиг. 3. По этому графику для любого конкретного участка месторождения по замеренным величинам горизонтальных деформаций, приводящих к образованию трещин в породах при определенной скорости оседа-ния г. и известных величинах m и иц определяется высота зоны распространения водопроводящих трещин, а, меняя значения m и «У, можно заранее создавать условия распространения трещин в породах, подрабатываемой толщи до определенной высоты, не выходящей за пределы водозащиты. Пример. Пологий калийный пласт мощностью 3 м отрабатывается камерн&й системой с плавной посадкой кровли на податливых целиках. Ширина камер 5,2 м, ширина междукамерных целиков 3,2 м, извлечение 0,62. Мощность водозащитной толщи 100 м, толща представлена пятью чередующимися слоями каменной соли и глинисто-маргелистых пород, примерно с одинаковыми физико-мехническими свойствами. В верхней части каждого слоя, кроме верхнего, устанавливаются репера (на 15, 20, 40 и 60 м). В верхнем слое репер устанавливается ниже верхней границы водозащиты на 20 м, т.е. на высоту 80 м от кровли пласта. По результатам периодических измерений горизонтальных деформаций на уровне отдельных слоев с реперами до момента нарущения сплощности этих слоев строятся графики, как показано на фиг. 1. Из графиков видно, что водопроводящие трещины распространялись на высоту 15 м через 4 месяца после подработки толщи, а до высоты 20 и 40 м соответственно через б и 16 месяцев при величине горизонтальных деформаций, равной 2,5%Таким же образом, продлевая графики до пересечения с линией величины предельных горизонтальных деформаций, с достаточной точностью определяются сроки нарушения сплошности на высоте 60 и 80. Они состоят 30 и 48 месяцев. Для определения срока нарушения верхнего слоя водозащитной толщи по известным уже данным строят зависимость развития высоты зоны трещин, как показано на фиг. 2. Аппроксимируя полученную кривую до пересечения с величиной верхней границы толщи, получаем искомый срок 5 лет 10 месяцев. Исходя из конкретной горнотехнической обстановки, принимаются определенные мероприятия для исключения прорыва вод в выработанное пространство по истечении указанного срока. По ряду измерений вертикальных и горизонтальных деформаций при различных величинах извлечения и мощности пласта строится график зависимости высоты зоны трещинообразования от выщеуказанных величин (фиг. 3), по которому для любого другого участка месторождения или сходного по физико-механическим свойствам пород можно определить высоту зоны трещин. Например, для того, чтобы увеличить извлечение до 0,7 при аналогичных горно-геологических условиях необходимо определить какой должна быть мощность водозащитной толщи над отрабатываемым пластом. При извлечении, равном 0,62, величина критических горизонтальных деформаций составила 0,. Откладывая эту величину по оси ординат на фиг. 3, приводим до пересечения с кривой линию, параллельную оси абсцисс, сносим точку пересечения на ось абсцисс и берем отсчет величины -р, которая равна 54. Проверяем: 54 м. При извлечении 0,72 (ширина камеры 5,2 м, ширина МКЦ 2,0 м) величина предельной горизонтальной деформации равна 2,16%. Используя график на фиг. 3, получаем jh 78 Отсюда h 78. m-10 78-3-0,72 168 м. Таким образом, отработку пласта с извлечением 0,72 необходимо вести на участках месторождения с мощностью водозащитной

толщи не менее 170 м или производить закладку очистных камер при меньшей мощности водозащиты.

Предлагаемый способ определения деформаций ВЗТ кроме того позволяет изучать закономерности процесса деформирования любой породной толщи в конкретных горно-геологических и горно-технических условиях с целью выбора наиболее эффективного способа управления горным давлением и оптимальных параметров системы разработки, изучать напряженно-деформированное состояние всего горного массива, включая отрабатываемые пласты, вблизи постоянной или временной границы (массив - выработанное пространство), оценить отдельные участки месторождений или шахтных полей по способам отработки их с целью увеличения извлечения и повышения/технико-экономических показателей работ.

Например, исследования водозащитных свойств породной толщи в условиях отработки пологих пластов на Старобинском месторождении калийных солей позволили перейти от камерной системы разработки с жесткими целиками с извлечением 40-50% на столбовую выемку при полном обрушении кровли с извлечением 60-70%.

Способ определения деформированного состояния породной водозащитной толщи может быть использбван при подземной разработке пологих пластов или свиты пластов любых месторождений полезных ископаемых.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫСОТЫ ЗОНЫ ВОДОПРОВОДЯЩИХ ТРЕЩИН В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД, включающий определение деформации горных пород путем измерения их оседания, по достижении которой предельной величины определяют появление водопроводящих трещин, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и возможности прогнозирования нарушения сплошности отдельных слоев водозащитной толщи, в каждом слое пород измеряют горизонтальные смещения и скорость оседания, а появление водопроводящих трещин в каждом породном слое определяют по достижении предельной величины горизонтальной деформации пород данного слоя, при этом предельную величину горизонтальной деформации определяют в соответствии с величиной скорости оседания по тарировочной зависимости полученной, например, путем измерения деформации и проведения пневмокаротажа на предыдущих этапах отработки месторождения. 00 4 4 Ю

Верхняя граница бодозащг /лнои т

70

О

, /le/p

Сриг. 2 о/гщи