Методические указания по натурному определению высоты зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством в конкретных горногеологических условиях

Министерство угольной промыалеввоств СССР

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА

ВНИМИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по натурному определению высоты зоны во до проводящих трещин над выработанным пространством в конкретных горногеслогнчесхих условиях

Ленинград

19 7 3

Министерство угольной промышленности СС^-Р

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИИСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА

ВНИМЕ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по натурному определению высоты зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством в конкретных горногеологических условиях

Ленинград

19 7 3

должаются до окончания периода опасных деформаций после выемки последнего пласта. Высота зоны водопроводящих трещин определяется после выемки каждого пласта как расстояние по нормали к напластованию от кровли верхнего пласта свиты до середины интервала между двумя соседними водоносными горизонтами, содержащими пьезометры, в нижнем из которых напор подземных вод в период или после подработки снижаете.!, а в верхнем остается практически без изменения (в пределах общих колебаний режима подземных вод на данном участке).

Недостатком описанного метода является сравнительно большой объем буровых работ. Поэтому при наличии специального оборудования для изоляции наблюдаемых интервалов высота зоны водопроводящих трещин на определенный момент времени после отработки пласта на данном участке может быть определена методом наблюдений за напорами в процессе бурения специальных гидрогеологических скважин.

Число гидрогеологических скважин для наблюдений за напорами в процессе их бурения должно быть не менее двух. Одна из скважин бурится в неподработанней толще для определения естественных напоров подземных вод, а другая - над выработанным пространством в течение первой половины периода опасных деформаций.

В процессе бурения скважин последовательно определяется напор подземных вод в каждом пересекаемом ими слое или пачке слоев мощностью 10-20 м, изолированном тампоном от вышележащих слоев толщи. Высота зоны водопроводящкх трещин определяется , по аналогии с предыдущим методом, как расстояние по нормали к напластованию от кровли пласта до середины расстояния между двумя соседними водоносными горизонтами, в нижнем из которых напор в результате подработки окажется сниженным, а в верхнем останется практически таким же, как и в ноподработанной толще.

Для изоляции наблюдаемых интервалов может быть рекомендован унифицированный комплект оборудования УКН с тампоном УТД-1 (рис.4) выпускаемый ремонтно-механическим экспериментальным заводом института "Гидропроект" (г.Ленинград), или другие аналогичные комплекты.

Порядок проведения наблюдений в каждом интервале описан лике, при рассмотрении метода сравнения удельных водопеглощений.

10

5
	Soga от насоса.

Рис. 4. Схема конструкции тампона УТД-1: 1 - уплотняющие резиновые кольца; 2 - домкрат; 3 - наружная колонна; 5 - манометр

2. Метод сравнения удельных водопо1лощений

В тех случаях, когда зона во до проводящих трещин распространяется выше уровня подземных вод, вследствие чего использовать для определения ее высоты метод наблюдений за напорами воды не престав-ляется возможным, искомая величина может определятся путем сравнения результатов поинтервальных спытных нагнетаний в сдай и те же породы до и после подработки.Этим методом, в качестве контрольного можно пользоваться таюке и в комплексе с проведением наблюдений за напорами в процессе бурения специальных гидрогеологических скважин.

При задании скважин для опытных нагнетаний необходимо иметь ввиду, что полная уверенность в наличии полостей расслоения в опробуемом интервале может иметь место лишь при условии, если скважина будет расположена на участке, где период опасных деформаций еще не закончился, и если опробуемые интервалы не будут попадать з область полных полных сдвижений. В противном случае надежное определение высоты золы водопроводящих трещин затруднительно.

Определение удельных водопоглощений производится посредством опытных нагнетаний чистой воды в изолированнные интервалы в процессе бурения не менее чем двух скважин, одна из -которых располагается в неподработанной толще, а другая - над выработанным пространством, для изоляции опробуемых интервалов и проведения нагнетаний используется упомянутый выше комплект УКН с тампоном УТД-1.

Рыхлые отложения з скважине перекрываются кондуктором диаметром не менее 150 мм.

Бурение в коренных породах производится с отбором керна и с промывкой чистой водой. Диаметры бурения ниже башмака кондуктора принимаются равными 90-131 мм.

В процессе бурения скважин последовательно определяется напор подземных вод и производятся опытные нагнетания в каждом пересекаемом скважиной слое пород или пачке слоев мощностью около 20 м в скважине, располагаемой в неподработанной толще, и около 10 м в скважине, располагаемой над выработанным пространством.

Длина интервалов может быть несколько изменена в соот-

х) Применение с указанной целью опытных нагнетаний предложено И.Ь.Хохловым /4/. Методика интерпретации результатов нагнетаний разработана ВНЯЛИ /5,6/.

ветствии с геологическим рсзрезом. Интервалы выбираются тал, чтобы,по возможности, опробовались отдельные геологические разности. Уплотнитель тампона устанавливается в водоупорных породах (аргиллитах, алевролитах и т.п.). Длина колонки резиновых колец уплотнителя тампона в свободном состоянии должна быть не менее 0,5 м.

При применении метода наблюдений за напорами и метода срагнения удельных водопоглощений опыт в каждом опробуемом интервале .производится в следующее порядке.

1)    По достижении заданной глубина бурение скважины прекращается и производится ее промывка до тех пор, пока из устья не начнет выходить совершенно чистая вода^х^.

2)    Поднимается буровой снаряд и делается несколько измерений глубины уровня воды в скважине.

3)    Производится спуск тампона и сжатие его колец на заданной глубине с точностью 0,3-1 м. Во избежание аварий, сжатие уплотнителя допускается на величину не более 30-40% от суммарной высоты резиновых колец. Вели при достижении указанного сжатия домкратнчй винт предолгие? вращаться достаточно свободно, значит, в этом месте скважина сильно разработана и изоляция интервала не будет достигнута. В подобных случаях освобождаете:! домкцатный винт и тямпон перемещается в более прочные породы.

Для спуска колонны тампона, как правило, используются ниппельные трубы диаметром 89 мы и штанги диаметром не более 30 мы. Переходник от штанг к натяжному винту должен быть изготовлен с таким внутренним отверствием , чтобы через него свободно проходил наконечник электроуровнемера.

4)    После сжатия уплотнителя тампона измеряются следующие

величины:

а)    превышение верха наружных труб над устьем скважины;

б)    превышение верха домкратного винта над устьем скважины;

в)    сжатие тампона (определяется как раэность между подъемом верха домкратного винта и зазором между верхом резиновых колец и переходником).

Глубина установки низа уплотнителя Ну определяется по

формуле

Н_у =L_T- AL + T_rt -ДТ ,    w

х) Если при бурении происходит полная потеря воды, время промывки устанавливается по опыту.

где L_T - длина колонны наружных труб* м;

Ди - превыше ?ле верхе. наружных труб кед устьем скважины* м;

T_d - длина уплотнителя, м;

ДТ - сжатие уплотнителя, м.

5)    Производятся наблюдения за уровнем воды в опробуемом интервале путем опускания в штанги проведа электроуровнемера, После установления постоянного уровня извлекается уровнемер, после чего на верх домкратного винта устанавливается манометр.

6)    Производится промывка трещин в опробуемом интервале, для чего псд тампон подается вода под давлением 3-3,5 ат (по манометру). До подъема воды до устья скважины кран, расположенный на головке тампона, остается открытым для выпуска воздуха из пространства между трубами и штангами. Нагнетание при упомянутом давлении ведется до получения шести-восьми мало отличающихся замеров расхода.

Во время поддержания высокого давления в интервале проверяется надежность его изоляции тампоном и плотность всех соединений. Так, например, подъем воды над тампоном в пространстве междз наружными трубами и стенками скважины свидетельствует о том, что тампсв сжат плохо. Если дополнительное сжатие тампона (в пределах максимально допустимой величины) не дает нужного результата, тампон перемещается в более прочные породы (см.п.З).

7)    По окончании нагнетания с высоким давлением производится восстановление естественного уровня воды в интервале.

Для этого с домкратного винта снимается манометр и открывается упомянутый выше воздушный кран на головке тампона. Наблюдения за уровнем производятся до получения не менее трех одинаковых измерений,

8)    При применении метода сравнения удельных водопогло-щений после восстановления естественного уровня воды в наблюдаемом интервале скважины производятся нагнетания под тампон при трех различных ступенях напора.

Во Бремя нагнетаний воды в скважину на первой ступени напора уровень воды во внутренней колонне тампона или его продолжение ъ виде давления на манометре поднимается вше естественного уровня в интервале не более чем на 5-10 м, на второй -Х5-20м и на третьей - 25-30 ы. При этом нельзя допускать, чтобы давление в испытуемом интервале скважины в атмосферах превышало 12%

14

глубины интервала в метрах. Например, напор в 30 м водяного столба (3 ат) может допускаться при нагнетаниях на глубинах более 25 м от поверхности.

При проведении опытов в скважинах, расположенных над выработанным пространством, при нагнетаниях можно допускать и меньшие напоры, если производительность нагнетающего насоса не ниже 200 л/мин.

Бо время нагнетаний и восстановлений уровня наблюдения за расходом (по водомеру) и уровнем (по электроуровнемеру) производятся через каждые 5 минут. Нагетанис на каждой ступени напора продолжается до получения восьми мало отличающихся измерений уровня и расхода.

9)    После завершения нагнетания на последней ступени напора вновь производится восстановление естественного уровня води

в интервале.

10)    По окончании опыта тампон демонтируется и продолжается бурение скважины до забоя следующего интервала иди подошвы следующего водоносного горизонта.

11)    Напор подземных вод над кровлей опробуемого интервала Н_кк определяется по формуле

Н_ки = ^ну + А Н - Н_ву ,    (2)

где Н_у - глубина установки низа уплотнителя;

АН - превышение верха домкратного винта над устьем сквазины;

Н_ву - глубина установившегося уровня воды от верха домкратного винта (по результатам последнего восстановления уровня).

Результаты измерений, полученные в процессе опыта в каждом интервале скважины, заносятся в специальный журнал (образец журнала см.в приложении).

При приближении забся скважины к выработанному пространству после установки тампона и сжатия уплотнителя может наблюдаться движение воздуха по штангам вверх или вниз. Указанное явление свидетельствует о наличии в толще между выработанным пространством и почвой опробуемого интервала сообщающихся трещин.

Удельное водопоглощение в опробуемом интервале определяет-

АННОТАЦИЯ

В "Методических указаниях" излагается разработанные зо ВНИМИ способы определения высоты зоны водопрозодящих трещин над выработанным пространством, которые могут быть использованы горными предприятиями и геологоразведочными организаииями при установлении оптимальных условий выемки угольных пластов под водными объектами.

Описание рекомендуемых методов сопровождается примерами их применения в наиболее типичных случаях.

"Методические указания" составлены канд.техн.наук Б.Я.Гвирц-маном и канд.геол-мин.наук Ф.П.Стрельским.

ВВЕДЕНИЕ

Под зоной водопроводящих трещин понимается часть подработанной толщи, в которой при выемке пласто* образуются нормально-секущие трещины, сообщающиеся с выработанным пространством. На верхней границе этой зоны и в вышележащей толще водопроницаемость пород в направлении нормали к напластованию после подработки остается практически такой се, как и до подработки.

Знание высоты зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством необходимо при решении целого ряда горно-технических задач. Особую важность этот вслрис приобретает при определении безопасной и экономически целесообразной глубины разработки под водными объектами, поскольку распространение водопро-вэдящих трещин до водного объекта при определенных условиях может повлечь за собой значительное увеличение притока воды в горные выработки, l в отдельных случаях - внезапный прорыв воды и затопление шахты.

До настоящего времени основным методом получения даи-ных о высоте зоны водопроводяцнх трещин над выработанным пространством являлось обобщение опыта подработки поверхностных водотоков и водоемов и затопленных выработок. В результате различными исследователями /1,2,3/ были выведены эмпирические зависимости, характеризующие, главным образом, связь кенду высотой зоны водопроводящих трещин и вынимаемой мощностью пласта. Эти зависимости представляют собой уравнения линий, разделяющих на графиках ».эле рассмотренных фактов подработки на две части, одна из которых объединяет все случаи с увеличением притока в горные зы-рабстки, а другая - случаи с неизменными притоками.

Анализ имеющихся данных показал, что к опыту подработки пойм и русел рек следует относиться с большой осторожностью, осооенно в тех местах, где реки и подрусловые потоки питают водоносные горизонты в различных слоях коренных пород и где значительные притоки могут поступать в горные выработки из этих водоносных горизонтов, а не за счет проникновения непосредственно из русел или пойменных отлокений по трещинам, возникшим вследствие сдвихенил горных пород. Недостаточный учет этого фактора приводил во многих случаях к завышению высоты зоны водопроведя-щих трещин, что в сбою очередь, повлекло за собой завышение безопасной глубин* разработки под водными объектами в правилах

охраны сооружений, действующих в различных уголы&тс бассейнах, в особенности, в Донбассе.

Наиболее надежные результаты были получены путем обобщения случаев подработки затопленных выработок с благоприятным и неблагоприятным исходом (под последним понимается увеличение притока воды в действующие выработки), так как неблагоприятный исход однозначно указывает на то, что водопроводящие трещины дошли до затопленной выработки, а благоприятный исход столь же однозначно свидетельствует, что эти трещины до нее не дошли. Анализ таких данных, собранных, главным образом, в Донецком и Кузнецком бассейнах, позволял придти к заключению, что высота зоны юдопроводящих трещин в коренных порсдах при выемке пласта мощность» 1-2 м с обрушением кровли не превышает 40-крагной вынимаемой мощности пласта при преобладании в толще аргиллитов, алевролитов и глинистых сланцев и 50-кратной мощности пласта при преобладании в толще песчаников /2,3/.

Хотя указанный вывод был использован в правилах охрч-ны сооружений, действующих в ряде угольных бассейнов и полностью себя оправдал, существенным недостатком егс является прямая зависимость высоты зоны годопроводящих трещин от вынимаемой мощности пласта, что приводит к завышению искомой величины, возрастающему с увеличением вынимаемой мощности.

Если для определения высоты зоны водопроводящих трещин при выемке одного пласта может быть использован имеющийся опыт подработки водных объектов, то при выемке свиты пластов такой опыт весьма ограничен и по нему трудно сделать достоверные общие выводы. Поэтому безопасная глубина для отдельных пластов свиты до сих пор определяется с необоснованно большим запасом.

Из всего сказанного следует, что дальнейшее снижение потерь угля в предохранительных целиках под водными объектами возможно только на основе использования таких методов определения высоты зоны водопроводящих трещин, которые бы с достаточной полнотой учитывали конкретные горногеологичеокие условия на участке подработки.

В последнее время во ВНИМИ разработаны и успешно применяются в различных угольных бассейнах гидрогеологические методы исследований для решения поставленной задачи, используемые как самостоятельно, тек и в комплексе. К указанным методам относятся:

4

1)    метод наблюдений за изменением напора подземных вод з слоях пород, залегающих на различном удалении от разрабатываемого пласта:

2)    метод сравнения удельных зодопоглощений в различных слоях толщи до и после подработки.

В настоящих "Методических указаниях" дается списание зтих методов, а также приводятся примеры их применения в наиболее типичных случаях.

I. Метод наблюдений за изменением напора подземных бод

Метод наблюдений за изменением напора подземных вод основан на том, что угленосная толща, как правило, представляет собой чередование песчаников и глинистых пород (аргиллитов, алевролитов, глинистых сланцев), являющихся, соответственно, напорными водоносными горизонтами и водоулорами. При выемке пласта часть ближайших к нему водоносных горизонтов попадает в пределы зоны водопроводящих трещин, которые дренируют эти водоносные горизонты и весьма существенно или полностью снижают в них напор. У водоупоров, оставшихся за пределами зоны водопроводящих трещин, проницаемость в направлении нормали к напластованию остается практически столь же незначительной, как и до подработки. Поэтому в водоносных горизонтах, не попадающих в указанную зону, сохраняется естественный режим подземных вод.

Метод наблюдений за изменением напора подземных под может применяться в двух модификациях:

а)    наблюдения за напорами с помощью пьезометров;

б)    наблюдения за напорами в процессе бурения специальных гидрогеологических скважин.

Метод наблюдений за напорами с помощью пьезометров рекомендуется применять при отсутствии специального оборудования (тампонов, электроуровнемеров и т.п.), а также при необходимости достаточно длительных наблюдений за изменением высоты зоны эодопроводящих трещин при выемке одного пласта или свиты пласт01.

Под пьезометром понимается наблюдательная сквалина, гидравлически связанная только с одним водоносным горизонтом; уровень воды в ней показывает величину напора в наблюдаемом водоносном горизонте.

Наиболее простая конструкция пьезометра показана на рис Л. Б этом пьезометре изоляция водоносного горизонта 3 достигается с помощью колонны труб малого диаметра I с сальниковым тампоном 2 на конце, устанавливаемым в водоупорном слое 4. Для оборудования пьезометра могут быть использованы любые трубы с муфтовыми или ниппельными соединениями, обеспечивающими водо-

6

Рис. 1. Конструкция пьезометра: 1 - о садные трубы; 2 - тампон (гидроизоля ция); 3 - наблюдаемый водоносный гор зонт; 4 - водоупор; 5 - уступ в скваж создаваемый сменой диаметра бурения

непроницаемость колонны. Диаметр труб выбирается в соответствии с размером измерителя уровня. При использовании электроуроЕне-меров для оборудования пьезометра могут применяться буровые штанги диаметром не менее 50 мы. Скважина для пьезометра бурится двумя диаметрами:    большим - примерно до середины ьодо-

упора 4 над наблюдаемым водоносным горизонтом 3 и меньшим -- до проектной глубины. Больший диаметр скважины выбирается с таким расчетом, чтобы разность между диаметром скважины и диаметром труб колонны была не менее 10 см. Меньший диаметр должен быть больше дьамзтра труб.

Б сальниковом тампоне (рис.2) в качестве гидроизодято-ра используется сальниковая веревка 3 или веревка, пропитанная пластичным водонепроницаемым и водостойким материалом. Веревка плотно наматывается на нижниГ. конец колонны труб I длиной 3-4 м между двумя кольцами, верхпее из которых 2 приваривается к трубе, а нижнее 4 крепится настолько, чтобы сохранить веревку от смятия при спуске колонны в сквежину. Когда нижнее кольцо достигнет уступа, его крепление нарушается зеоом колонны труб и дополнительным давлением на нее, в результате чего сальниковая веревка нзчиназт сминаться. Сжатая сальниковая веревка плотно перекрывает интервал скьажины между уступом в ней и верхним кольцом на колонне труб.

Оборудованный таким образом пьезометр не будет нарушен при деформациях окружающих пород.

Пьезометры оборудуются на изучаемом участке до подхода к нему очистных работ. Нижний пьезометр располагается в водоносном горизонте, приуроченном к слою пород, который после отработки всех (или предполагаемых к выемке) пластов свиты заведомо попадает в зону водопроводящих трещин. Верхний пьезометр располагается в водоносном горизонте, приуроченном к слою пород, который после отработки соответствующих пластов заведомо (по опыту данного или других аналогичных бассейнов) не попадет в указанную зону. Несколько пьезометров оборудуется в водоносных горизонтах, занимающих промежуточное положение между нижним и верхним (рис.З). При этом точность определения высоты зоны во-допроводящих трещин будет тем выше, чем в большем числе водоносных горизонтов будут оборудованы пьезометры.

Наблюдения за уровнями воды в пьезометрах начинаются до подхода забоя первого пласта к наблюдаемому участку и про-8