Милетенко Н. А., Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н. В. Мельникова РАН (ИПКОН РАН), г. Москва, Россия
Обеспечение безопасного ведения горных работ — важная и ответственная задача всех специалистов, задействованных в процессе разработки месторождений полезных ископаемых. Особую актуальность приобретает этот вопрос при освоении недр вблизи водных объектов, поскольку при этом возникает необходимость охраны горных выработок от затопления и обеспечения сохранности жизни горняков. Дополнительным фактором, который необходимо учитывать, является также то, что вода представляет собой уникальный вид минерального сырья, который нельзя ничем заменить, и поэтому в силу своих особых свойств полная или частичная потеря водного объекта может по своей ценности превосходить экономическую выгоду от освоения месторождения, находящегося в непосредственной близости от него.
При освоении недр в зону влияния горных работ часто попадает большое количество объектов, составляющих важные ресурсы горнодобывающих регионов. К этим ресурсам относятся реки, пахотные земли, инженерные сооружения, городские постройки, коммуникации, другие природные и искусственные объекты. Недостаточно обоснованная разработка месторождения нередко ведет к негативным экологическим и социальным последствиям, а также к убыткам, сопоставимым с экономической выгодой от разработки.
При этом разработка полезных ископаемых часто связана с негативным воздействием наземных и подземных вод на безопасность и технологию добычи. К настоящему времени разработаны методики прогноза изменения гидрогеологической обстановки при разработке месторождений, определения техногенного режима движения подземных вод, формирования системы мониторинга за гидрогеологическими процессами и предупреждения вредных и опасных последствий этих процессов. Но время не стоит на месте, происходят значимые изменения: усложняются условия разработки месторождений, становятся все более острыми вопросы экологии, обеспечения безопасности жизни горняков на добывающих предприятиях — все это и ряд других факторов приводят к необходимости решать задачи по обеспечению безопасного освоения георесурсов вблизи водных объектов на современном этапе на новом уровне. Это является основанием для разработки новых подходов и методов исследований, в том числе на основе современных достижений из других научных дисциплин в области наук о Земле, физики, материаловедения, математики в сочетании с эффективными инженерными методами.
Важной особенностью горнопромышленной гидрогеологии является рассмотрение фактора техногенных водопроводящих трещин. При горных работах в массиве могут формироваться зоны водопроводящих трещин, которые служат легкопроходимыми каналами для проникновения в горные выработки не только подземных вод вышележащих водоносных пластов, но часто и поверхностных вод. На современном этапе ученые-геомеханики в одном случае рассматривают водопроводящие трещины, которые образовались за счет действия напряжений в массиве пород, в другом случае рассматривают техногенные трещины, развитие которых определяется главным образом гидростатическим давлением воды. В первом случае водопроводящие трещины служат для перетока воды, во втором — трещины не только являются каналами для воды, но и активно влияют на напряженное состояние массива пород.
Образование наведенных водопроводящих трещин кардинально изменяет гидрогеологическую обстановку в районе добычи, поскольку эти трещины не только представляют опасность в связи с затоплением выработок, но они могут служить каналами для миграции природных минерализованных шахтных вод на горизонты питьевой воды, тем самым предопределяя необратимое загрязнение воды. Образование водопроводящих трещин, как правило, переводит контролируемую гидрогеологическую обстановку в режим неконтролируемой.
Таким образом, для более адекватного прогноза гидрогеологической обстановки при добыче твердых полезных ископаемых и предотвращения опасных последствий необходимо рассматривать гидрогеодинамические процессы не только в совокупности с деформационными процессами, происходящими в массиве горных пород, но и с многоаспектными процессами разрушения массива пород.
Одно из направлений современных исследований на стыке гидрогеологии и геомеханики связано с разработкой инженерных методов прогноза взаимодействия гидрогеологических и деформационных процессов. На основании инструментальных натурных исследований и опыта ведения горных работ вблизи водных объектов установлено, что в подработанной толще можно выделить шесть зон: обрушенной породы, сквозных трещин, частично сквозных трещин, отдельных трещин, не образующих единую систему, без разрывов сплошности, повышенных напряжений и деформаций сжатия.
При этом надо учитывать, что опасность представляет нахождение водного объекта в зонах обрушений, сквозных трещин и частично сквозных трещин. В случае попадания водного объекта в зону отдельных трещин существенного увеличения притока воды в горные выработки не происходит. Из водных объектов, расположенных в зонах повышенных напряжений и деформаций сжатия, вода в горные выработки не поступает.
Таким образом, в деформационном подходе задача прогноза сводится к определению местоположения указанных выше зон в различных горно-геологических условиях разработки пластов. Разработанный аппарат прогноза взаимовлияния гидрогеологических и геомеханических процессов был успешно апробирован на угольных месторождениях Донбасса.
В качестве другого примера применения деформационного подхода можно рассмотреть проблему разработки пласта полезного ископаемого под рекой. При подземной разработке полезных ископаемых вблизи рек последние нередко оказываются выше остальной местности, осевшей под влиянием горных работ. Естественный сток воды в реку прекращается, а сама местность заболачивается. Для предотвращения затопления прибрежной местности необходимо строить дамбы. В самих целиках остается полезное ископаемое, которое уходит в безвозвратные потери.
С целью рекультивации прибрежных площадей и снижения потерь полезных ископаемых в целиках предложено в предохранительном целике производить выемку полезного ископаемого шириной не менее ширины зеркала воды водоема, оставляя по бокам барьерные целики (рис. 1). На рисунке обозначено: 1 — поверхность земли до отработки; 2 — поверхность земли после отработки; 3 — водный объект; 4 — предохранительный целик; 5 — барьерный целик; 6 — водозащитные дамбы-валы.
Ширину лавы необходимо выбирать в зависимости от мощности вынимаемого пласта, чтобы в толще пород после отработки лавы и оседания породы в зоне сжатия не образовывались водопроводящие трещины, соединяющие водоем с горными выработками. В результате указанных мероприятий над барьерными целиками на поверхности земли естественным образом образуются водозащитные валы-дамбы, а сам водный объект опускается ниже положительных отметок прибрежной зоны поверхности земли.
В результате инженерных расчетов, выполненных в нашем институте с учетом экспериментальных данных, установлено, что параметр необходимо определять по формуле D = d + 2Hctgβ, где D — ширина лавы, d — ширина водного объекта, Н — глубина горных работ, β — угол, определяющий положение зоны сжатия на земной поверхности.
Таким образом, деформируя земную поверхность отработкой предохранительных целиков с оставлением барьерных целиков, опускают урез водного объекта ниже положительных отметок прибрежной зоны. При такой естественной рекультивации ландшафта, заключающейся в выравнивании положительных форм рельефа, отпадает необходимость в завозе грунта, поскольку плодородный слой земли сохраняется.
Помимо инженерных методов, для изучения взаимодействия геомеханических и гидрогеологических процессов при подработке массива горных пород разрабатываются методы математического моделирования. Эти методы, ориентированные на использование современных компьютерных программ, позволяют использовать разработки из других научных дисциплин и могут служить основой для междисциплинарных исследований. В частности, в наших исследованиях использовалась математическая теория трещин и теория фильтрации.
Компьютерное моделирование, подтвержденное натурными данными, показало, что в подработанном массиве пород возможно развитие трещин самопроизвольного гидроразрыва, которые могут являться магистральными каналами для проникновения подземных и поверхностных вод в горные выработки. Природа самопроизвольного гидроразрыва пород связана с тем, что при техногенном перераспределении напряжений в массиве пород одно из главных напряжений может стать меньше гидростатического давления воды. В этом случае происходит развитие трещины гидроразрыва пород в той области массива, где это условие выполняется. Трещина гидроразрыва, в свою очередь, изменяет напряженное состояние массива. Возможность развития трещины гидроразрыва определяется в результате нелинейного взаимодействия двух факторов — техногенного перераспределения напряжений и гидростатического давления воды на массив пород.
В качестве примера рассмотрен прорыв воды из поверхностного водоема в подземную выработку. Этот пример соответствует в определенной степени ситуации, изображенной на рис. 2. Как во многих теоретических исследованиях, схема задачи принималась упрощенной. Считалось, что выполняются условия плоской деформации, а выработка представляется прямоугольником.
В рассмотренном модельном примере выработка расположена на глубине 300 м от земной поверхности. Природное поле напряжений определялось гипотезой акад. А. Н. Динника, согласно которой давление налегающей толщи задается весом пород, а боковое давление определяется по формуле σΓ ≤νγH/(1 – ν), где H — расстояние от выработки до дневной поверхности, γ — усредненный удельный вес пород налегающей толщи, ν — коэффициент Пуассона пород. Усредненный модуль деформации массива налегающих пород здесь принимался равным 1 000 МПа, коэффициент Пуассона — 0,23, усредненная плотность пород принималась равной 2,5 т/м3.
Эффективно решить поставленную задачу также можно с применением математической модели развития трещины самопроизвольного гидроразрыва. Возможность развития этих трещин определяется двумя условиями: локальным условием (растягивающее напряжение вблизи кончика трещины должно превышать критическое значение) и интегральным условием (трещина должна быть раскрыта по всей длине). Последнее условие связано с проникновением воды в трещину и поддержанием определенного гидростатического давления воды в трещине.
Траектория развития трещины не является прямолинейной (рис. 2), она определяется техногенными напряжениями, которые изменяются по мере увеличения пролета выработанного пространства.
На рис. 3 показан профиль расхождения берегов трещины на момент ее подхода к кровле выработки. Для наглядности изображения величина расхождения берегов сильно увеличена. Как следует из расчетов, в этом случае трещина гидроразрыва является открытой по всей своей длине. Если трещина прорастет в выработку, то поток воды, поступающей по этой трещине в выработку, может быть катастрофическим.
Выполненные при этом результаты расчетов в сочетании с результатами моделирования при других начальных параметрах задачи позволяют сделать некоторые выводы в отношении особенностей прорыва воды из резервуара, расположенного на земной поверхности, в подземную горную выработку.
Геодинамическим условием развития протяженной трещины гидроразрыва является отсутствие в массиве пород высоких горизонтальных (тектонических) напряжений. Как правило, это условие выполняется для осадочных пород на небольших глубинах. Геомеханические условия развития трещин самопроизвольного гидроразрыва зависят от многих факторов. Одним из наиболее значимых факторов является низкая эффективная трещиностойкость пород и возможные природные нарушения сплошности налегающего массива пород. Таким образом, открытая трещина гидроразрыва может прорасти из водоема на поверхности в лаву лишь при стечении определенных обстоятельств.
Гидрогеологическое условие развития трещины самопроизвольного гидроразрыва пород связано с низкой природной проницаемостью пород налегающей толщи. В рыхлых породах с высокой проницаемостью вода должна уходить из трещины, и вследствие этого ее роль в зарождении и развитии техногенного канала для движения воды, очевидно, будет незначительной.
Таким образом, прогноз взаимодействия гидрогеологических и геомеханических процессов может выполняться на основе деформационного подхода и на основе моделирования напряженного состояния массива и теории трещин. Эти подходы дополняют друг друга. В деформационном подходе исследование взаимодействия геомеханических и гидрогеологических процессов базируется на статистически обработанном материале многочисленных натурных наблюдений и позволяет интегрально отразить сложное строение реального массива горных пород. Этот подход при соответствующей доработке может быть основой для учета различных особенностей деформации подработанного массива, в частности локализации деформаций. С помощью деформационного подхода и полученных на его основе расчетных формул можно провести необходимые оценки достаточно быстро. Вместе с тем геомониторинг деформационных процессов в массиве пород может быть эффективным инструментальным средством контроля взаимодействия геомеханических и гидрогеологических процессов на практике.
Компьютерное моделирование напряженного состояния требует больше времени и усилий для расчетов, а также соответствующих знаний, однако с помощью моделирования можно раскрыть более глубоко механизм и детали проникновения воды в подработанный массив пород и сравнить различные ситуации. Несомненным достоинством моделирования является учет особенностей природного поля напряжений, а также использование при необходимости современных трехмерных моделей массива и его неоднородного строения вблизи геологических нарушений.
В частности, при компьютерном моделировании можно рассчитать траекторию протяженной трещины и сценарий ее развития в зависимости от изменения техногенных напряжений. Как правило, прорастание трещины гидроразрыва в выработку может происходить в несколько этапов с остановкой трещины и с возможным последующим ростом трещины при очередном техногенном изменении напряженного состояния массива пород.
Важной особенностью компьютерного моделирования является анализ ситуаций с остановившимися в развитии магистральными трещинами гидроразрыва. Если эти трещины остановились в зоне влияния выработки, то они могут порождать интенсивную локальную фильтрацию воды из трещины в выработку. Как следует из разработок ученых ИПКОН РАН, сильный фильтрационный поток воды в слабосвязанной горной породе может приводить к размыву и обрушению породы из кровли выработки. Поэтому при постановке и решении задач теории фильтрации для подработанного массива горных пород необходимо учитывать возможность образования водопроводящих магистральных трещин в массиве пород.
Рассмотренные подходы к анализу взаимодействия геомеханических и гидрогеологических процессов в подработанном массиве пород дополняют наши знания об условиях проникновения воды в горные выработки и тем самым расширяют научные основы для разработки соответствующих дополнений к инструкции ведения горных работ под водными объектами. Ученые ИПКОН РАН, уже много лет двигаясь в этом направлении, ставят новые задачи и решают их, понимая, что этот вопрос и сегодня, и в перспективе является стратегически важным для нашей страны.
Основные выводы
1. При техногенном геомеханическом воздействии на геосреду возможно развитие необратимых гидрогеологических изменений и образование в массиве пород водопроводящих трещин, которые могут служить главными каналами для прорыва воды в горные выработки и проникновения шахтных вод на горизонты питьевой воды.
2. Прогноз взаимодействия гидрогеологических и геомеханических процессов может выполняться на основе логично дополняющих друг друга деформационного подхода и моделирования напряженного состояния массива с учетом теории трещин.
3. Инструментальный контроль взаимодействия гидро- и геомеханических процессов может осуществляться в рамках геомониторинга деформационных процессов в массиве пород.
