Способ определения высоты зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством на пластовых месторождениях

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для оценки безопасного ведения горных работ под водными объектами. Техническим результатом является повышение точности, достоверности и оперативности определения высоты зоны водопроводящих трещин, образующейся над выработанным пространством пласта. Способ включает определение содержания пород глинистого состава в подрабатываемом массиве, граничной кривизны как функции содержания пород глинистого состава, высоты зоны водопроводящих трещин (ЗВТ) как функции граничной кривизны и вынимаемой мощности пласта. Определяют центр распределения мощностей пород подрабатываемой толщи как среднее арифметическое расстояний по вертикали от кровли пласта до кровли каждого слоя и центр распределения мощностей пород при одинаковой их мощности как половина суммарной мощности подрабатываемых пород по вертикали. Отсюда определяют относительный центр распределения пород по их мощностям в подрабатываемой толще как отношение центра распределения мощностей пород подрабатываемой толщи к половине суммарной мощности подрабатываемых пород по вертикали, корректируют граничную кривизну умножением на величину относительного центра распределения пород по их мощности в подрабатываемой толще и определяют высоту ЗВТ как функцию скорректированной граничной кривизны и вынимаемой мощности пласта. 3 ил.

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для оценки безопасного ведения горных работ под водными объектами (реками, озерами, искусственными водоемами, водоносными горизонтами и др.).

Известен способ определения высоты зоны водопроводящих трещин в массиве горных пород (А.с. №1221347, опубл. Бюл. №12, 30.03.86), который осуществляется следующим образом. Из опережающей фронт очистных работ по пласту специальной выработки бурят восстающую скважину, в которую закладывают реперы в характерных породных слоях, пересекаемых этой скважиной. Глубину скважины выбирают из расчета пересечения ею верхней границы зоны водопроводящих трещин. При каждом очередном подвигании очистного забоя производят измерения горизонтальных смещений по отвесам, идущим от каждого заложенного в скважину репера, относительно неподвижного репера в почве выработки под скважиной. Горизонтальные деформации каждого слоя, в котором установлен репер, определяют путем деления величин горизонтальных смещений на расстояние, на которое продвинулся забой за время, прошедшее между данным и предыдущим измерениями. Искомую высоту зоны водопроводящих трещин принимают равной расстоянию от кровли разрабатываемого пласта до породного слоя, в котором зафиксированы максимальные горизонтальные деформации, равные установленному на данном месторождении значению предельных горизонтальных деформаций.

Недостатками этого способа являются большие затраты на проходку специальной выработки, бурение скважины, закладку в нее реперов и производство наблюдений за их смещением. Кроме того, чтобы установить для конкретного месторождения предельное значение горизонтальной деформации, являющейся максимальной горизонтальной деформацией на верхней границе зоны водопроводящих трещин, потребуются те же затраты.

Известен способ определения высоты зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством на пластовых месторождениях с выдержанными водоупорами между водоносными слоями (А.с. №1221348, опубл. Бюл. №12, 30.03.86), сущность которого заключается в следующем. Над выработанным пространством пласта бурят скважину и в процессе бурения, начиная с расстояния по вертикали от кровли пласта (НТ+δ), производят последовательные измерения напоров в предварительно изолированных (например, с помощью пакера) интервалах скважины длиной 10-12 м. Бурение и измерение напоров заканчивают на расстоянии по вертикали от кровли пласта (НТ-δ). Здесь параметр НТ является приближенным расчетным значением высоты зоны водопроводящих трещин для рассматриваемых горно-геологических условий, которая является функцией вынимаемой мощности пласта (m) и содержания пород глинистого состава в подрабатываемой толще (A):HТ=f(m, А). Значение А определяется как отношение суммарной мощности пород глинистого состава к мощности подрабатываемой толщи. Параметр δ - предельное (утроенное среднее квадратическое) отклонение фактических значений высоты зоны водопроводящих трещин от расчетных для соответствующих горно-геологических условий, которое принято равным δ=±10m. В результате при использовании соотношения (НТ±δ) верхний из интервалов, в которых измеряют напоры подземных вод, будет находиться заведомо выше верхней границы зоны водопроводящих трещин, а нижний - заведомо ниже этой границы. Высоту зоны водопроводящих трещин определяют по результатам наблюдений как расстояние по скважине от кровли разрабатываемого пласта до середины интервала между двумя соседними слоями, в нижнем из которых напор подземных вод в период или после подработки снижается по сравнению с естественным, а в верхнем остается практически без изменений.

Недостатками этого способа являются необходимость бурения скважины и проведения в ней большого объема поинтервальных наблюдений за напорами подземных вод.

Известен способ определения высоты зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством на пластовых месторождениях, принятый за прототип (Безопасная выемка угля под водными объектами. М., «Недра», 1977, 175 с. Авт.: Б.Я.Гвирцман, Н.Н.Кацнельсон, Е.В.Бошенятов и др.). Согласно этому способу высота зоны водопроводящих трещин определяется как функция граничной кривизны и вынимаемой мощности пласта по формуле:

,

где НТ - высота зоны водопроводящих трещин; m - вынимаемая мощность пласта; KГ - граничная кривизна породного слоя. В свою очередь, граничная кривизна породного слоя определяется из ее функциональной зависимости экспоненциального типа от содержания пород глинистого состава (алевролитов, аргиллитов, глинистых сланцев и др.) в подрабатываемой толще:

KГ=f(A),

где А - содержание пород глинистого состава (алевролитов, аргиллитов, глинистых сланцев и др.) в подрабатываемой толще, определяемое как отношение суммарной мощности пород глинистого состава к мощности подрабатываемой толщи.

Недостатком данного способа является то, что при определении высоты зоны водопроводящих трещин не учитываются мощности пород подрабатываемой толщи и их местоположение относительно разрабатываемого пласта. А это, в свою очередь, приводит к снижению точности и достоверности определения высоты зоны водопроводящих трещин и соответственно к снижению надежности прогноза безопасной выемки пластов под водными объектами.

Техническим результатом изобретения является повышение точности, достоверности и оперативности определения высоты зоны водопроводящих трещин, образующейся над выработанным пространством пласта.

Технический результат достигается тем, что в способе определения высоты зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством на пластовых месторождениях, включающем определение содержания пород глинистого состава в подрабатываемом массиве, граничной кривизны как функции содержания пород глинистого состава, высоты зоны водопроводящих трещин как функции граничной кривизны и вынимаемой мощности пласта, граничную кривизну породного слоя корректируют умножением на величину относительного центра распределения мощностей пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи, который определяют как отношение центра распределения мощностей пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи к половине суммарной их мощности по вертикали, при этом центр распределения мощностей пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи определяют как среднее арифметическое расстояний по вертикали от кровли пласта до кровли каждого породного слоя.

Величина распространения зоны водопроводящих трещин над пластом зависит от деформаций изгибов слоев толщи, вследствие чего в породных слоях образуются сквозные нормальносекущие трещины. Более мощные слои деформируются в меньшей степени вследствие их подработки горными работами по пласту, чем относительно их менее мощные слои. Кроме этого, чем дальше от пласта расположены более мощные слои пород, тем меньше деформации изгиба они будут испытывать, проявляя склонность к зависанию. И наоборот, чем ближе к пласту, тем большие деформации испытывают эти слои и, соответственно, их изгиб происходит без зависания. Таким образом, влияние этих факторов (мощности слоев и их местоположение относительно разрабатываемого пласта) на развитие сквозных нормальносекущих трещин в породных слоях и, следовательно, на величину ЗВТ существенно. Соответственно учет местоположения пород глинистого и не глинистого состава различной мощности в подрабатываемом массиве горных пород относительно вынимаемого пласта в комплексе с учетом содержания пород глинистого состава в пределах того же массива горных пород повысит точность прогнозных расчетов высоты ЗВТ.

Способ поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны геологическая колонка пород глинистого и не глинистого состава, залегающих над пластом, расстояния по вертикали от кровли пласта до кровли этих породных слоев (l1, l2,…, ln), вертикальные мощности слоев пород глинистого состава (а 1, a 2,…, a k), суммарная вертикальная мощность пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи (Н), центр распределения мощностей пород глинистого и не глинистого состава на расстоянии по вертикали от кровли пласта LФ, центр распределения мощностей пород глинистого и не глинистого состава в случае их одинаковой мощности на расстоянии от кровли пласта ; на фиг.2 представлено сравнение высоты зоны водопроводящих трещин, полученной по натурным определениям, с рассчитываемыми значениями по формуле (3), в котором НТн - высота зоны водопроводящих трещин по натурным определениям, Кгф - фактическая граничная кривизна породного слоя, А - содержание пород глинистого состава в долях от подрабатываемой толщи, определяемое по формуле (1), Кг - граничная кривизна породного слоя, рассчитанная по формуле (2), НТ - высота зоны водопроводящих трещин, рассчитанная по формуле (3); на фиг.3 представлено сравнение высоты зоны водопроводящих трещин, полученной по натурным определениям, с рассчитываемыми значениями по формуле (8), в котором НТн, Кгф, Кг - то же, что на фиг.2, Lф - центр распределения мощностей пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи, определяемый по формуле (4); L - центр распределения мощностей слоев пород глинистого и не глинистого состава в случае их одинаковой мощности, определяемый по формуле (5); с - относительный центр распределения мощностей пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи, определяемый по формуле (6); Кгс - граничная кривизна породного слоя, рассчитанная по формуле (7); НТс - высота зоны водопроводящих трещин, рассчитанная по формуле (8); ΔКсгфгс, ΔНТсТнТс.

Способ осуществляют следующим образом. На участке подработки водного объекта необходимые геологические данные для прогноза высоты зоны водопроводящих трещин берутся по геологическим колонкам существующих разведочных скважин, составленным либо по отбору керна, либо по геофизическому каротажу. Содержание пород глинистого состава (алевролитов, аргиллитов, глинистых сланцев и др.) определяют путем идентификации таких литотипов пород в геологической колонке, измерения вертикальных мощностей a 1, a 2,…, a k каждого из распознанных слоев пород глинистого состава и суммарной вертикальной мощности всех подрабатываемых пород глинистого и не глинистого состава Н над пластом (см. чертеж). Используя данные таких измерений, находят содержание пород глинистого состава (А) в подрабатываемой толще как содержание этих пород в долях от подрабатываемой толщи из соотношения

при умножении которой на 100% получим процентное содержание пород глинистого состава в подрабатываемой толще. Анализ случаев натурного определения высоты зоны водопроводящих трещин выявил зависимость граничной кривизны породного слоя (максимальной кривизны породного слоя на верхней границе зоны водопроводящих трещин) от содержания пород глинистого состава в подрабатываемой толще, которая имеет следующий вид:

где КГ - граничная кривизна породного слоя, 1/м; А - содержание пород глинистого состава (алевролитов, аргиллитов, глинистых сланцев и др.) в долях от подрабатываемой толщи, определяемое по формуле (1); е - основание натурального логарифма. Высота зоны водопроводящих трещин связана с граничной кривизной породного слоя и вынимаемой мощностью пласта следующей зависимостью:

где НТ - высота зоны водопроводящих трещин, м; m - вынимаемая мощность пласта, м; KГ - граничная кривизна породного слоя, 1/м.

Сравнение высоты зоны водопроводящих трещин, полученной по натурным определениям, и рассчитываемых значений по формуле (3) представлено на фиг.2. Откуда следует, что отдельные отклонения высоты зоны водопроводящих трещин, получаемой по формуле (3), в которой учитывается влияние на величину зоны водопроводящих трещин только содержания пород глинистого состава через граничную кривизну породного слоя (2), от фактической, полученной из натурных наблюдений, составляют 34 м, а среднее квадратическое отклонение - ± 11 м (фиг.2). Соответственно отдельные отклонения граничной кривизны, определенной по формуле (2), от фактических ее значений достигают 1.64·10-3 1/м при среднем квадратическом отклонении ±0.35·10-3 1/м (фиг.2). Такой разброс значений НТ и КГ объясняется влиянием на развитие ЗВТ не только литологического состава пород, но и местоположения пород глинистого и не глинистого состава различной мощности в подрабатываемой толще относительно разрабатываемого пласта.

Для учета при прогнозах высоты ЗВТ местоположения пород глинистого и не глинистого состава различной мощности в подрабатываемой толще относительно разрабатываемого пласта, используя ту же геологическую колонку, определяют центр распределения мощностей пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи LФ путем измерения расстояний по вертикали от кровли пласта до кровли каждого из породных слоев глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи l1, l2,…, ln (см. чертеж) и вычисления среднего арифметического расстояния по этим измеренным данным:

где n - количество слоев пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи.

Определяют центр распределения мощностей пород глинистого и не глинистого состава в случае их одинаковой мощности L как половину суммарной вертикальной мощности пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи Н:

Далее можно получить относительный центр распределения мощностей пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи с из следующего выражения:

где Lф - фактическое положение центра распределения мощностей слоев глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи, определяемое по (4); L - положение центра распределения мощностей слоев пород глинистого и не глинистого состава подрабатываемой толщи в случае их одинаковой мощности, определяемое по (5).

Если по формуле (6) получается, что с<1, то это означает, что слои с наибольшими мощностями сконцентрированы в первой, ближайшей к пласту, половине толщи. Если с>1, то слои с наибольшими мощностями сконцентрированы во второй, дальней от пласта, половине толщи. При этом условии (с>1) слои пород с наибольшими мощностями склонны к зависанию, так как подвергаются меньшим деформациям в силу удаленности от пласта, соответственно зона водопроводящих трещин в этих условиях будет распространяться на меньшую высоту, чем рассчитанная по формуле (3). При с<1 слои с наибольшими мощностями подвергаются наибольшим деформациям в силу близости их расположения к пласту и поэтому процесс сдвижения в этих условиях протекает без зависания слоев пород и соответственно зона водопроводящих трещин будет распространяться на большую высоту, чем рассчитанная по формуле (3).

Граничную кривизну породного слоя с учетом содержания пород глинистого состава и местоположения пород глинистого и не глинистого состава в подрабатываемой толще над рассматриваемым пластом КГс получают из выражения:

где КГ - см. формулу (2); с - см. формулу (6). При подстановке в выражение (3) вместо КГ нового значения граничной кривизны КГс, определенного из выражения (7), получим расчетную высоту зоны водопроводящих трещин с учетом содержания пород глинистого состава и местоположения пород глинистого и не глинистого состава в подрабатываемой толще НТс:

Сравнение высоты зоны водопроводящих трещин, полученной по натурным определениям, и рассчитываемых значением по формуле (8) представлено на фиг.3.

Сравнительный анализ высоты зоны водопроводящих трещин, получаемой по формуле (8), в которой учитывается влияние содержания пород глинистого состава и местоположение пород глинистого и не глинистого состава различной мощности в подрабатываемой толще, с фактической, полученной из натурных наблюдений, показал, что отдельные отклонения составляют 6 м, а среднее квадратическое отклонение - ±2 м (см. фиг.3). Соответственно отдельные отклонения граничной кривизны породного слоя, определенной по формуле (7), от фактических ее значений достигают 0.31·10-3 1/м при среднем квадратическом отклонении ±0.08·10-3 1/м (фиг.3). Таким образом, расчеты высоты ЗВТ по формуле (8) позволяют существенно повысить точность прогноза развития зоны водопроводящих трещин над отрабатываемым пластом. Кроме того, способ позволяет достоверно и оперативно производить оценку степени нарушенности водопроводящими трещинами подрабатываемых пород толщи, поскольку исходные данные для прогнозных расчетов берутся по геологическим колонкам (фиг.1), составленным либо по результатам геофизического каротажа, либо по отбору керна в существующих разведочных скважинах, которые были пробурены по определенной сетке в пределах шахтного поля и месторождения. В случаях, когда необходимо уточнить литологический состав пород и их распределение в толще можно дополнительно пробурить скважины, по которым оперативными методами геофизического каротажа получают соответствующие геологические разрезы.

Преимуществом способа является повышение точности определения высоты зоны водопроводящих трещин при одновременном повышении достоверности и оперативности за счет того, что исходные данные для расчетов берутся с геологических колонок, полученных по существующим разведочным скважинам или дополнительно пробуренным с целью уточнения геологического строения оперативными методами геофизического каротажа этих скважин.

Способ применяют на пластовых месторождениях (это все угольные и частично рудные месторождения) при оценке развития зоны водопроводящих трещин в подрабатываемой пластами толще пород для решения вопросов безопасного ведения горных работ под водными объектами: реками, естественными и искусственными водоемами, гидроотвалами, водоносными горизонтами, затопленными горными выработками.

Способ определения высоты зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством на пластовых месторождениях, включающий определение содержания пород глинистого состава в подрабатываемой толще, граничной кривизны породного слоя как функции содержания пород глинистого состава, высоты зоны водопроводящих трещин как функции граничной кривизны породного слоя и вынимаемой мощности пласта, отличающийся тем, что граничную кривизну породного слоя корректируют умножением на величину относительного центра распределения мощностей пород глинистого и неглинистого состава подрабатываемой толщи, который определяют как отношение центра распределения мощностей пород глинистого и неглинистого состава подрабатываемой толщи к половине суммарной их мощности по вертикали, при этом центр распределения мощностей пород глинистого и неглинистого состава подрабатываемой толщи определяют как среднее арифметическое расстояний по вертикали от кровли пласта до кровли каждого породного слоя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для определения вертикальных сдвижений и деформаций земной поверхности вследствие ведения подземных и открытых горных работ.

Изобретение относится к горному делу и предназначено для регистрации сейсмических волн и деформаций в скважине. .

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано для исследования проявления горного давления в горных выработках. .

Изобретение относится к физико-механическим испытаниям материалов и может быть использовано при инженерно-геологических изысканиях. .

Изобретение относится к горному делу, в частности к устройству для измерения смещений пород кровли в подготовительных выработках. .

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к способу дистанционного измерения смещений пород кровли в подземных горных выработках. .

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения взаимного смещения геоблоков и динамико-кинематических характеристик волн маятникового типа.

Изобретение относится к области интенсификации добычи нефти, газа, конденсата, в частности к устройствам для изучения физических свойств расклинивающих материалов.

Изобретение относится к физико-механическим испытаниям материалов и может быть использовано при инженерно-геологических изысканиях. .

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения напряжений в массиве горных пород

Изобретение относится к горному делу, в частности к области контроля состояния горного массива посредством измерения величины деформации горных выработок или их участков

Изобретение относится к механике разрушения твердых тел и может быть использовано при определении прочностных свойств композиционных материалов и горных пород в строительной и горной областях промышленности

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для оценки напряженного состояния горных пород в породном массиве

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения изменения напряженного состояния горного массива

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений открытым способом. Техническим результатом является повышение точности определения местоположения потенциальной поверхности скольжения и изменения геомеханического состояния массива горных пород в окрестностях этой поверхности. Способ включает периодическое определение сдвижения реперов, расположенных на откосе горных пород и прилегающей к нему земной поверхности, в вертикальной и наклонной плоскостях и построение полных векторов смещения поверхности откоса. Реперы размещают в скважинах, пробуренных в откосе горного массива, по сдвижению которых рассчитывают величину относительной деформации горных пород в приоткосной зоне для каждой скважины по математической формуле. По линии, соединяющей точки с критическими значениями относительной деформации, определяют границу потенциальной поверхности сдвижения пород приоткосной зоны. 4 ил.

Изобретение относится к геофизическим исследованиям горных пород, в частности к способам контроля и определения координат опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах. Техническим результатом является повышение точности и достоверности определения координат возможного горного удара или обрушения массива горных пород. Способ, в котором бурят шпуры, устанавливают в них датчики акустической эмиссии, сигналы с датчиков акустической эмиссии регистрируют и обрабатывают, по результатам обработки судят о прогнозе опасного состояния массива горных пород. Обработку сигналов производят с применением анализа знаков вступления импульсов акустической эмиссии. Для каждого источника акустической эмиссии строят распределение знаков вступлений на стереографической проекции. При выявлении закономерного группирования знаков вступления импульсов акустической эмиссии судят о наличии опасного состояния массива горных пород, определяют соотношение действующих напряжений, рассчитывают величины углов падения и простирания для опасных плоскостей и направлений. По анализу распределения в объеме массива горных пород знаков вступления импульсов акустической эмиссии вычисляют координаты возможного горного удара или обрушения массива горных пород. 3 ил.

Изобретение относится к горному делу, в частности к способам определения трещиноватости горных пород. Технической результат направлен на определение недостающей системы трещин, находящейся в глубине массива горных пород. Способ определения внутренней системы трещин на обнажениях, включающий замер азимутов простирания трещин и азимутов падения плоскостей трещин. Недоступную для непосредственных измерений характеристику системы трещин, находящуюся внутри массива горных пород, определяют по замерам обнаженных открытыми горными работами плоскостей, входивших в эту систему трещин до обнажения. Замеры ведут только тех плоскостей, которые не являются плоскостями отрыва при ведении взрывных работ или работ горной техники. Это определяют по налету на плоскостях окислов железа, других элементов или остатков заполнителей трещин. 3 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для повышения эффективности увлажнения краевых зон угольных пластов в целях борьбы с внезапными выбросами угля и газа путем оперативного и надежного определения влажности угольного пласта при увлажнении. Техническим результатом является увеличение оперативности и повышение безопасности при определении влажности угля в угольном пласте в шахтных условиях при увлажнении краевых зон ударо- и выбросоопасных угольных пластов. В способе пневмосверлом сверлят скважину в боку подготовительной выработки, определяют скорость сверления до увлажнения и после увлажнения угольного пласта, а прирост влажности определяют из результатов сопоставления измерений скорости сверления и результатов предварительных лабораторных исследований.3 ил.

Изобретение относится к горному делу, а именно к буровой технике, и предназначено для исследования режимов бурения горных пород. Техническим результатом является повышение точности измерения режимных параметров бурения за счет возможности независимого приложения к отрезку буровой штанги с буровым инструментом крутящего момента, усилия подачи, импульсов крутящего момента и импульсов осевого усилия. Стенд содержит опорную плиту, отрезок буровой штанги с буровым инструментом, установленный в опорах, гидроцилиндр подачи, тензометрические звенья, вращатель, образец породы. Стенд дополнительно содержит ударный механизм-возбудитель импульсов осевых усилий и ударный механизм-возбудитель импульсов крутящего момента, закрепленные на опорах, расположенных на неподвижной опорной плите, ударные механизмы-возбудители импульсов осевых усилий и импульсов крутящего момента закреплены с возможностью передачи импульсов осевых усилий и импульсов крутящего момента на штангу с буровым инструментом через тензометрические звенья, причем вращатель, с закрепленным на его валу образцом породы, размещен в податчике, имеющем возможность перемещения по направляющим рамы. 3 ил.
Наверх