Зміна параметрів фільтрації води навколо гірничих виробок в зоні впливу тектонічного порушення

Abstract

Мета. Метою роботи є дослідження водоприпливу в гірничу виробку, що проводиться в складних гідрогеологічних умовах переходу тектонічного порушення. Методика. При вирішенні задачі про фільтрацію води в деформованому масиві використовувався розроблений автором раніше метод вивчення стану шаруватого породного масиву з гірничою виробкою при наявності в її околі обводнених шарів, а також метод скінченних елементів. Результати. У даній роботі виконано чисельне дослідження зміни водоприпливу в гірничу виробку, яка проводиться в складних гідрогеологічних умовах, при перетині тектонічного порушення. Виконано розрахунок поля напружень, зон непружних деформацій, коефіцієнтів проникності, яка залежить від напруженого стану і враховує тектонічну і природну проникність порід. Також наведені результати розрахунку тиску води і водоприпливу в виробку у всіх розглянутих випадках. Аналіз отриманих даних показав, що в покрівлі виробки з рамним кріпленням утворюється порушена зона, яка охоплює водоносні породи. Усередині цієї області вода може вільно переміщатися до контуру виробки. При наближенні до диз'юнктивного порушення відбувається значне зростання фільтраційної проникності. Дебіт води в виробку досягає критичних значень. Наукова новизна. Вперше виконано моделювання водоприпливів в гірничу виробку в зоні впливу тектонічного порушення. Показано, що при наближенні виробки до порушення активізуються процеси деформування, руйнування приконтурних порід, які з часом захоплюють близько розташовані водоносні шари, з яких починається перетікання води у виробку, і рамне кріплення не здатне стримати ці процеси. Практична значимість. Розроблена математична модель зв'язаних процесів деформування гірничих порід з водоносними шарами і фільтрації води може використовуватися для дослідження водоприпливу в різних гірничо-геологічних умовах.

Цель. Целью работы является исследование изменения водопритока в горную выработку, проводимую в сложных гидрогеологических условиях перехода тектонического нарушения. Методика. При решении задачи о фильтрации воды в деформируемом массиве использовался разработанный автором ранее способ исследования состояния слоистого породного массива с горной выработкой при наличии в ее окрестности обводненных слоев. Результаты. В данной работе выполнено численное исследование изменения водопритока в горную выработку, которая проводится в сложных гидрогеологических условиях, при пересечении тектонического нарушения. Выполнен расчет поля напряжений, зон неупругих деформаций, коэффициентов проницаемости, которая зависит от напряженного состояния и учитывает тектоническую и природную проницаемость пород. Также приведены результаты расчета давления воды и водопритока в выработку во всех рассмотренных случаях. Анализ полученных данных показал, что в кровле выработки с рамной крепью образуется нарушенная зона, которая охватывает водоносные породы. Внутри этой области вода может свободно перемещаться к контуру выработки. При приближении к дизъюнктивному нарушению происходит значительное возрастание фильтрационной проницаемости. Дебит воды в выработку достигает критических значений. Научная новизна. Впервые выполнено моделирование водопритоков в горную выработку в зоне влияния тектонического нарушения. Показано, что при приближении выработки к нарушению активизируются процессы деформирования, разрушения приконтурных пород, которые со временем захватывают близколежащие водоносные слои, из которых начинается переток воды в выработку, и рамная крепь не способна сдержать эти процессы. Практическая значимость. Разработанная математическая модель связанных процессов деформирования горных пород с водоносными слоями и фильтрации воды может использоваться для исследования водопритока в различных горно-геологических условиях.

Purpose. The purpose of the work is research of the water inflow into the mine working that driving in difficult hydrogeological conditions at the crossing of tectonic displacement. Methods. A method for studying the state of layered rocks with a mine working in the presence of watered layers in its vicinity, previously developed by the author, as well as the finite element method were used to solve the problem of water filtration in a deformable rocks. Findings. In this work, the problem of water inflow reduction in Ukrainian coal mines, which are distinguished by difficult hydrogeological conditions, was considered. A numerical study of the change in water inflow into a mine working when it crosses a tectonic fault was carried out. The calculation of stress fields, zones with inelastic deformations and coefficients of permeability, which depend on the stress state and takes into account tectonic and natural permeability of the rocks, was performed. The results of calculating the water pressure and water inflow into the mine working in all considered cases are presented in the article. Analysis of the calculated data showed that a disturbed area, which covered water-bearing ricks, was formed in the roof of the mine working with the frame support. Within this area, water can move towards the contour of the mine working. The filtration permeability of the host rocks increases significantly when the mine face approaches the tectonic disturbance. The flow rate of water reaches critical values. Originality. For the first time, the modelling of water inflows into the mine workings in the zone of influence of tectonic fault was performed. It is shown that when the mine working approaches the fault, the processes of deformation and destruction of the host rocks are activated and, with time, capture the adjacent aquifers. Then the flow of water into the working from these aquifers begins, and the frame support is not able to contain these processes. Practical implications. The developed mathematical model of the coupled processes of deformation of rocks with aquifers and water filtration can be used to study water inflows in various geological conditions.