Зміна параметрів фільтрації води навколо гірничих виробок в зоні впливу тектонічного порушення
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 п...
Saved in:
| Published in: | Физико-технические проблемы горного производства |
|---|---|
| Date: | 2021 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України
2021
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/180301 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Зміна параметрів фільтрації води навколо гірничих виробок в зоні впливу тектонічного порушення / Ю.О. Виноградов // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2021. — Вип. 23. — С. 108-117. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859826074195591168 |
|---|---|
| author | Виноградов, Ю.О. |
| author_facet | Виноградов, Ю.О. |
| citation_txt | Зміна параметрів фільтрації води навколо гірничих виробок в зоні впливу тектонічного порушення / Ю.О. Виноградов // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2021. — Вип. 23. — С. 108-117. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физико-технические проблемы горного производства |
| description | 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.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:29:40Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
108
УДК 622.841:622.833.5:622.281.74 https://doi.org/10.37101/ftpgp23.01.008
ЗМІНА ПАРАМЕТРІВ ФІЛЬТРАЦІЇ ВОДИ НАВКОЛО ГІРНИЧИХ
ВИРОБОК В ЗОНІ ВПЛИВУ ТЕКТОНІЧНОГО ПОРУШЕННЯ
Ю.О. Виноградов1
1Інститут фізики гірничих процесів Національної академії наук України,
м. Дніпро, Україна
Відповідальний автор: e-mail: my_pochta_1r@ukr.net
CHANGE IN THE PARAMETERS OF WATER FILTRATION AROUND
MINE WORKINGS IN THE AREA OF INFLUENCE OF TECTONIC
FAULTS
Y.O. Vynohradov1
1Institute for Physics of Mining Processes of the National Academy of Sciences of
Ukraine, Dnipro, Ukraine
Corresponding author: e-mail: my_pochta_1r@ukr.net
ABSTRACT
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
mailto:my_pochta_1r@ukr.net
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
109
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.
Keywords: water inflow into mine working, rock permeability, water filtration,
numerical simulation
1. ВСТУП
Гідрогеологічна структура Західного Донбасу – це система водоносних го-
ризонтів і комплексів, що охоплюють всю товщу осадових порід і верхню ча-
стину тріщинуватої зони кристалічних порід. Загальна потужність обводне-
них порід становить від 20 м до 1660 м і більше [1]. Обводнення виробок у
вугільних шахтах головним чином залежить від особливостей геологічної бу-
дови шахтних полів, зокрема від тектонічної порушеності порід, кількості во-
доносних горизонтів, їх потужності, напору, фільтраційної проникності [1-3].
Наприклад, в шахті ім. М.І. Сташкова – найбільш обводненій в Західному
Донбасі – водоприплив становить 1640 м³/год. При зволоженні приконтурних
порід відбувається їх розмокання і зниження міцності. Це призводить до
втрати стійкості виробок і додаткових витрат на відкачування води і підтри-
мку виробок [4].
Вугільні шахти України відрізняються складними гірничо-геологічними
умовами, наявністю великої кількості обводнених порід. В результаті прико-
нтурні породи розмокають і втрачають властивості міцності, що значно
ускладнює проведення та експлуатацію гірничих виробок, знижує їх стій-
кість.
Тому необхідно докладне вивчення, дослідження і моделювання геомеха-
нічних і фільтраційних процесів, які відбуваються при проведенні виробок в
складних гідрогеологічних умовах. Виявлення особливостей та закономірно-
стей протікання цих процесів дозволить розробити і поліпшити способи під-
вищення стійкості виробок протягом терміну експлуатації і безпеки ведення
гірничих робіт.
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ
Деформування вуглепородного масиву можна описати рівнянням:
, ( ) ( )i
g ij j i i
u
c X t P t
t
, (1)
де ui – переміщення, м; сg – коефіцієнт демпфування, кг/с/м3; ij,j – похідні від
компонент тензора напружень по x, y, МПа/м; t – час, с; Xi(t) – проекції зовні-
шніх сил, що діють на одиницю об'єму твердого тіла, Н/м3, Pi(t) – проекції
сил, обумовлених тиском флюїдів в тріщинно-поровому просторі, Н/м3.
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
110
Деформація порід при проведенні гірничої виробки призводить до зміни їх
фільтраційної проникності [5]. Зміну значень коефіцієнтів проникності в за-
лежності від компонент тензора головних напружень можна описати таким
чином:
ktech = f ( ij), (2)
де ktech – коефіцієнт проникності, яка обумовлена проведенням виробки, мДа;
f (j) – функція, яку визначено в роботі [5].
Процес фільтрації води в порушених породах описується наступним рів-
нянням:
2 2
2 2
( )
p
p K p p
q t
t m x y
, (3)
де p – тиск води, МПа; K – коефіцієнт проникності, мДа; µ – в'язкість
води, Пас; β – коефіцієнт стисливості води, 1/Pa; q(t) – функція припливу
(стоку) води.
По обидва боки від порушення породи перем’яті і мають початкову текто-
нічну проникність. Деякі породні шари також мають природну проникність.
Технологічна проникність ktech, яка виникає при проведенні виробки і зале-
жить від компонент тензора напружень, накладається на поле тектонічної ktect
і природної knat проникності:
K = ktech + ktect + knat. (4)
Для прикладу розглянемо подовжній перетин капітальної виробки висо-
тою 4 м, яка проводиться в складних умовах, подібних до умов проведення
східного магістрального відкотного штреку шахти ім. М.І. Сташкова. У пок-
рівлі виробки розташований обводнений тріщинуватий вугільний прошарок
потужністю 0.4 м і обводнений пісковик потужністю 2.2 м; в забої – обводне-
ний пісковик потужністю 0.8 м. Виробка перетинає диз'юнктивне тектонічне
порушення «скид» з амплітудою зміщення 1 м.
Центральний фрагмент скінченно-елементної сітки для цієї задачі показа-
ний на рис. 1.
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
111
Рисунок 1. Центральний фрагмент скінченно-елементної сітки:
1, 3 – обводнені пісковики; 2 – обводнений тріщинуватий вугільний прошарок
Початкові і граничні умови для поставленої задачі:
00
; ;yy xx tt
H H
1 2
0; 0;x yu u
(5)
3
0.1 MPap
;
0, 03 t
p p
,
де – усереднена вага гірничих порід, що розташовані вище, Н/м3; H – гли-
бина розробки, м; – коефіцієнт бічного розпору; Ω1 – вертикальні межі зов-
нішнього контуру; Ω2 – горизонтальні межі зовнішнього контуру; Ω3 – контур
виробки; Ω4 – область обводнених порід; p0 – пластовий тиск води, МПа.
3. МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ
Задача (1)–(4) з початковими і граничними умовами (5) розв’язується ме-
тодом скінченних елементів [6-7] в пружно-пластичній постановці із застосу-
ванням умови міцності Кулона-Мора. Для аналізу напруженого стану пород-
ного масиву використовується параметр Q* = (1 – 3) / H, що характеризує
різнокомпонентність поля напружень.
Будемо вважати, що початкова проникність пісковика – 0.002 мДа; почат-
кова проникність вугільного прошарку – 0.005 мДа; проникність в зоні
l1 = 3 м від площини зсуву – 0.5 мДа; в зоні l2 = 7 м – 0.1 мДа; p0 = 3.5 МПа.
Розглянемо випадки, коли капітальна виробка закріплена рамним кріплен-
ням і її забій знаходиться на різній відстані L (рис. 1) від тектонічного пору-
шення:
а) L = 12 м, L > l1 +l2, виробка за межами впливу тектонічного порушення;
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
112
б) L = 7 м, l1 < L < l1 +l2, виробка в слабо порушеній зоні;
в) L = 1 м, L < l1, виробка в максимально порушеній зоні тектонічного по-
рушення.
4. РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕННЯ
З використанням наведених вище співвідношень були отримані поля на-
пружень і зони непружних деформацій на різних часових ітераціях, рис. 2.
а) б)
Рисунок 2. Різнокомпонентність поля напружень і зони непружних
деформацій: відстань до тектонічного порушення а) 1 м; б) 12 м
З рисунка видно, що навколо виробки сформована область підвищеної різ-
нокомпонентності поля напружень. Контур виробки оточує зона непружних
деформацій, що призводить до збільшення тріщинуватості вміщуючих порід,
їх розшарування і руйнування.
Далі в результаті розрахунку одержуємо значення коефіцієнтів проникно-
сті в кожній точці досліджуваної області, рис. 3
а)
а) б)
Рисунок 3. Розподіл значень коефіцієнтів проникності породного масиву:
відстань до тектонічного порушення а) 6 м; б) 12 м
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
113
На рисунках видно темніші зони тектонічної проникності і світліші зони
природної проникності обводненого пісковика і вугільного прошарку.
Видно, що в покрівлі виробки сформована область фільтрації глибиною до
2.4 м, в яку повністю потрапляє водоносний вугільний прошарок і частково –
пісковик. Усередині цієї області вода може переміщатися до контуру виро-
бки. При наближенні до диз'юнктивного порушення, рис. 3б, забій виробки
переміщається в зону порушених порід, які легко розшаровуються і руйну-
ються при підробці. Підпірне кріплення не в змозі стримати цей процес, від-
бувається значне зростання фільтраційної проникності в цій зоні.
Розподіли значень тиску води показані на рис. 4. Можна бачити, що тиск
води в обводнених пластах поблизу скиду помітно понижений в порівнянні з
пластовим тиском, рис. 4б і 4в. Як показує практичний досвід, підвищена про-
никність порід в зонах тектонічних порушень обумовлює рух глибинних на-
пірних вод уздовж площини зсуву в вертикальному напрямку [8].
а) б)
в)
Рисунок 4. Розподіл значень тиску води: відстань до тектонічного порушення
а) 1 м; б) 6 м; в) 12 м
У покрівлі виробки активно відбувається процес фільтрації води і за ме-
жами порушеної зони і поблизу тектонічного порушення. Тиск води в підро-
бленому обводненому вугільному прошарку і частині пісковика знижується
(рис. 4), вода переміщується з областей з більш високим тиском туди, де тиск
мінімальний – в виробку. Коли вибій виробки наближається до порушення і
входить в порушену зону, інтенсивність фільтраційного процесу підвищу-
ється, рис. 4б, 4в.
На графіку рис. 5 видно, що при великій відстані гірничої виробки до тек-
тонічного порушення швидкість фільтрації мінімальна. І навпаки, при набли-
женні виробки до порушення вона зростає.
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
114
Рисунок 5. Графік зміни швидкості фільтрації в залежності від відстані до
тектонічного порушення
В результаті розрахунку отримано значення водоприпливу, рис. 6: сумар-
ний водоприплив, водоприплив з пісковика у вибої виробки, водоприплив з
1 п.м покрівлі. У всіх трьох випадках водоприплив зростає при наближенні
виробки до тектонічного порушення. Водоприплив з 1 п.м покрівлі збільшу-
ється до двох разів. Ділянку в радіусі 7 м можна виділити як найбільш активну
зону впливу тектонічного порушення.
а) б)
в)
Рисунок 6. Зміна величини водоприпоиву в виробку при наближенні до пору-
шення: а) сумарний водоприплив; б) водоприплив з пісковика в забій виробки;
в) водоприплив з 1 п.м покрівлі
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
115
5. ВИСНОВКИ
Розглянуто проблему водоприпливу в українських вугільних шахтах, які
відрізняються складними гідрогеологічними умовами. Виконано чисельне до-
слідження зміни водоприпливу в гірничу виробку при перетині нею тектоні-
чного порушення.
В результаті розв’язання задачі отримані значення напружень, зони непру-
жних деформацій, значення коефіцієнтів проникності, тиску води і водопри-
пливів на різних відстанях від геологічного порушення до виробки. Показано
та проаналізовано вплив тектонічного порушення на зміну фільтраційних і
геомеханічних параметрів навколо виробки. При наближенні виробки до по-
рушення активізуються процеси деформування, руйнування приконтурних
порід, які з часом захоплюють близько розташовані водоносні шари, з яких
починається перетікання води у виробку.
Аналіз отриманих даних показав, що в покрівлі виробки з рамним кріплен-
ням утворюється область фільтрації, яка охоплює водоносні породи. Усере-
дині цієї області вода може переміщатися до контуру виробки. При набли-
женні до тектонічного порушення відбувається значне зростання фільтрацій-
ної проникності. Дебіт води в виробку досягає критичних значень. Водопри-
плив з 1 п.м покрівлі збільшується до двох разів.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. В.О. Соцков, А.М. Загриценко, Н.І. Деревягіна. Вчені записки ТНУ імені
В.І. Вернадського. Серія: технічні науки, 6, 2 (2019)
2. H. Masoumi, J. Horne, W. Timms. Rock Mech. & Rock Eng., 50, 8 (2017).
3. H. Liu, W. Zhu, Y. Yu, T. Xu, R. Li, X. Liu. Int. J. Rock Mech. & Min. Sci., 127
(2020)
4. V. Krukovska, Y. Vynohradov. Water stability influence of host rocks on the process
of water filtration into mine working with frame and roof-bolting support. Essays of Mining
Science and Practice 2019. E3S Web of Conferences, 109, 00041.
5. V.V. Krukovska, O.P. Krukovskyi, Yu.O. Vinogradov. Study water inflow in mines
with anchors, Geotechnical Mechanics, 120 (2015).
6. Аликин, В.Н., Литвин, И.Е., Щербаков, С.М., & Бородавкин, В.П. (1992). Ме-
тод конечных элементов в задачах газонефтепромысловой механики. М.: Недра.
7. Zienkiewicz, O.C. (2000). The finite element method. Butterworth-Heine-mann, Т.1,
690 p.
8. Nie, W., Zhao, Z.Y., Ma, S.Q., Guo, W., 2018. Effects of joints on the reinforced
rock units of fully-grouted rockbolts. Tunn. Undergr. Space Technol. 71, 15–26
REFERENCES
1. V.O. Sotskov, A.M. Zagritsenko, N.I. Derevyagina. Introductory notes from TNU
imeni V.I. Vernadsky. Series: technical sciences, 6, 2. (2019)
2. H. Masoumi, J. Horne, W. Timms. Rock Mech. & Rock Eng., 50, 8 (2017).
3. H. Liu, W. Zhu, Y. Yu, T. Xu, R. Li, X. Liu. Int. J. Rock Mech. & Min. Sci., 127
(2020)
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
116
4. V. Krukovska, Y. Vynohradov. Water stability influence of host rocks on the process
of water filtration into mine working with frame and roof-bolting support. Essays of Mining
Science and Practice 2019. E3S Web of Conferences, 109, 00041.
5. V.V. Krukovska, O.P. Krukovskyi, Yu.O. Vinogradov. Study water inflow in mines
with anchors, Geotechnical Mechanics, 120 (2015)
6. Alikin, V.N., Litvin, I.E., Scherbakov, S.M., Borodavkin, V.P. (1992). The finite
element method in the problems of gas-petroleum field mechanics. Moskva: Nedra.
7. Zienkiewicz, O.C. (2000). The finite element method. Butterworth-Heine-mann, Т. 1,
690 p.
8. Nie, W., Zhao, Z.Y., Ma, S.Q., Guo, W., 2018. Effects of joints on the reinforced
rock units of fully-grouted rockbolts. Tunn. Undergr. Space Technol. 71, 15–26
ABSTRACT (IN UKRAINIAN)
Мета. Метою роботи є дослідження водоприпливу в гірничу виробку, що про-
водиться в складних гідрогеологічних умовах переходу тектонічного пору-
шення.
Методика. При вирішенні задачі про фільтрацію води в деформованому ма-
сиві 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 водоприп-
ливу в гірничу виробку, яка проводиться в складних гідрогеологічних умовах,
при перетині тектонічного порушення. Виконано розрахунок поля напру-
жень, зон непружних деформацій, коефіцієнтів проникності, яка залежить від
напруженого стану і враховує тектонічну і природну проникність порід. Та-
кож 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 во-
доносні породи. Усередині цієї області вода може вільно переміщатися до ко-
нтуру 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 набли-
женні виробки до порушення активізуються процеси деформування, руйну-
вання приконтурних порід, які з часом захоплюють близько розташовані во-
доносні шари, з яких починається перетікання води у виробку, і рамне кріп-
лення 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-геологі-
чних умовах.
Ключові слова: водоприплив в виробку, проникність порід, фільтрація води,
чисельне моделювання.
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
117
ABSTRACT (IN RUSSIAN)
Цель. Целью работы является исследование изменения водопритока в гор-
ную выработку, проводимую в сложных гидрогеологических условиях пере-
хода 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 гидрогео-
логических условиях, при пересечении тектонического нарушения. Выпол-
нен расчет поля напряжений, зон неупругих деформаций, коэффициентов
проницаемости, которая зависит от напряженного состояния и учитывает те-
ктоническую и природную проницаемость пород. Также приведены резуль-
таты расчета давления воды и водопритока в выработку во всех рассмот-
ренных случаях. Анализ полученных данных показал, что в кровле выработки
с рамной крепью образуется нарушенная зона, которая охватывает водонос-
ные породы. Внутри этой области вода может свободно перемещаться к кон-
туру выработки. При приближении к дизъюнктивному нарушению происхо-
дит значительное возрастание фильтрационной проницаемости. Дебит воды
в выработку достигает критических значений.
Научная новизна. Впервые выполнено моделирование водопритоков в гор-
ную выработку в зоне влияния тектонического нарушения. Показано, что при
приближении выработки к нарушению активизируются процессы деформи-
рования, разрушения приконтурных пород, которые со временем за-
хватывают близколежащие водоносные слои, из которых начинается переток
воды в выработку, и рамная крепь не способна сдержать эти процессы.
Практическая значимость. Разработанная математическая модель связан-
ных процессов деформирования горных пород с водоносными слоями и фи-
льтрации воды может использоваться для исследования водопритока в разли-
чных горно-геологических условиях.
Ключевые слова: водоприток в выработку, проницаемость пород, филь-
трация воды, численное моделирование
ABOUT AUTHORS
Vynohradov Yurii, Candidate of Technical Science, Junior Researcher, Institute for
Physics of Mining Processes of the National Academy of Sciences of Ukraine, Dnipro, 2A
Simferopolskaya Street, Dnipro, Ukraine, 49600. E-mail: my_pochta_1r@ukr.net
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-180301 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2664-17716 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:29:40Z |
| publishDate | 2021 |
| publisher | Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Виноградов, Ю.О. 2021-09-08T13:38:06Z 2021-09-08T13:38:06Z 2021 Зміна параметрів фільтрації води навколо гірничих виробок в зоні впливу тектонічного порушення / Ю.О. Виноградов // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2021. — Вип. 23. — С. 108-117. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. 2664-17716 DOI: https://doi.org/10.37101/ftpgp23.01.008 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/180301 622.841:622.833.5:622.281.74 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. uk Інститут фізики гірничих процесів НАН України Физико-технические проблемы горного производства Физика горных процессов на больших глубинах Зміна параметрів фільтрації води навколо гірничих виробок в зоні впливу тектонічного порушення Изменение параметров фильтрации воды вокруг горных выработок в зоне влияния тектонических нарушений Change in the parameters of water filtration around mine workings in the area of influence of tectonic faults Article published earlier |
| spellingShingle | Зміна параметрів фільтрації води навколо гірничих виробок в зоні впливу тектонічного порушення Виноградов, Ю.О. Физика горных процессов на больших глубинах |
| title | Зміна параметрів фільтрації води навколо гірничих виробок в зоні впливу тектонічного порушення |
| title_alt | Изменение параметров фильтрации воды вокруг горных выработок в зоне влияния тектонических нарушений Change in the parameters of water filtration around mine workings in the area of influence of tectonic faults |
| title_full | Зміна параметрів фільтрації води навколо гірничих виробок в зоні впливу тектонічного порушення |
| title_fullStr | Зміна параметрів фільтрації води навколо гірничих виробок в зоні впливу тектонічного порушення |
| title_full_unstemmed | Зміна параметрів фільтрації води навколо гірничих виробок в зоні впливу тектонічного порушення |
| title_short | Зміна параметрів фільтрації води навколо гірничих виробок в зоні впливу тектонічного порушення |
| title_sort | зміна параметрів фільтрації води навколо гірничих виробок в зоні впливу тектонічного порушення |
| topic | Физика горных процессов на больших глубинах |
| topic_facet | Физика горных процессов на больших глубинах |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/180301 |
| work_keys_str_mv | AT vinogradovûo zmínaparametrívfílʹtracíívodinavkologírničihvirobokvzonívplivutektoníčnogoporušennâ AT vinogradovûo izmenenieparametrovfilʹtraciivodyvokruggornyhvyrabotokvzonevliâniâtektoničeskihnarušenii AT vinogradovûo changeintheparametersofwaterfiltrationaroundmineworkingsintheareaofinfluenceoftectonicfaults |