Влияние температурных, гидро- и газодинамических условий на состояние массива горных пород

Влияние температуры. Температурные поля в массиве горных пород формируются под воздействием солнечной радиации и тепловых потоков, поступающих из недр Земли. Температура горных пород, слагающих месторождения, зависит от многих факторов: строения и состава пород, глубины залегания, наличия термоаномалий, циркуляции глубинных вод и газов, происходящих в породе химических реакций и других причин. Она оказывает существенное влияние на агрегатное состояние массива (мерзлые и талые породы), физико-механические характеристики; водо- и газопроницаемость, температуру рудничного воздуха, на выбор способов вскрытия, подготовки и системы разработки, порядок отработки месторождения.

Для земной коры средний температурный градиент составляет около 30°С на 1 км. Геотермическая ступень в среднем равна 30 – 40 м на 1°С (колеблется в пределах от 2 до 230 м/°С), для рудных месторождений – 45 – 50 м/°С и выше.

Наиболее высокие значения температуры на одинаковых глубинах характерны для осадочной толщи по сравнению с магматическими и метаморфическими породами. По данным исследований американских сверглубоких скважин, пробуренных в осадочных породах, температура пород на глубине 8,7 км была 212°С, при 9,1 и 9,6 км – соответственно 232°С и 243°С. В некоторых скважинах длиной 5,5 – 6,6 км она была еще выше (230 - 280°С). Отечественные исследования показывают, что температура пород, равная 55°С, в Донбассе будет на глубинах 1,4 – 1,7 км, а в Криворожском бассейне – только на 2,3 км.

О различных значениях температурного градиента свидетельствуют примеры глубоких рудников мира. Если на рудниках ЮАР на глубине 2,5 км температура пород несколько выше 40°С, то в районе Колар (Индия) – около 55°С. Измерения в Кольской сверхглубокой скважине показали, до глубины 3 км на каждые 100 м температура возрастала на 1°С, ниже 3 км – на 2,5°С. На глубине 7 км температура пород была 120°С, а на 10,5 км - 180°С .

Изменение температуры приводит к появлению в породах термических напряжений, вызывающих деформации растяжения или сжатия. Отмечено, что с повышением температуры модули упругости и сдвига, как правило, постепенно снижаются, а коэффициент Пуассона возрастает. Это объясняется изменением внутренних связей между частицами материала под воздействием тепла.

Влияние температурного фактора на изменение агрегатного состояния пород и их физико-механические характеристики особенно ярко проявляется при разработке рассыпных месторождений в осадочных вечномерзлых породах.

Мерзлые породы, состоящие из отдельных частиц, сцементированных льдом, существенно изменяют свои свойства при снижении температуры от 0 до -10°С. При повышении температуры от -4 до -1°С породы становятся более пластичными и менее устойчивыми, а при более низких температурах – обладают достаточно высокими упругими свойствами и допускают при разработке значительные площади подработки (более 4 тыс. м²) и пролеты закрепленной кровли до 20 м, что соответствует устойчивости кровли камер на рудных месторождениях (Джезказган).

Многолетнемерзлые породы, к тому же, обладают высокой пластичностью и поэтому их длительная прочность на разрыв ниже мгновенной в 12 – 15 раз, на сжатие – в 2,0 – 2,5 раза. Следствием этого является постепенное снижение устойчивости целиков и кровли камер во времени и с увеличением площади подработки. При выемке панелей лавами, с оставлением внутризабойных целиков параллельно лаве, скорость опускания кровли в забое изменяется от 0,8 до 1,2 мм/сут, а абсолютная величина прогиба кровли на границе с призабойным пространством колеблется от 70 – 130 до 280 – 310 мм. Поэтому при отработке россыпных месторождений в зависимости от температуры многолетнемерзлых пород могут применяться системы с открытым очистным пространством или с обрушением налегающих пород. Существенно могут изменяться не только способы ведения очистных работ.

Скальные породы при глубоком охлаждении (до минус 100 – 196°С), наряду с увеличением статической прочности, становятся менее пластичными, склонными к хрупкому разрушению.

Влияние обводненности. Обводненность массива горных пород зависит от гидрологического режима месторождения, который определяется распределением водных ресурсов в регионе, водопроницаемостью и фильтрационными свойствами пород, напором и дебитом подземных пород.

Прилегающая к земной поверхности часть толщи горных пород подвержена совместному влиянию атмосферных осадков и проникающих из глубины водяных паров. Располагаемая ниже уровня грунтовых вод зона насыщения трещин и пор водой, находиться в состоянии гидростатического давления.

Вода, заключенная в массиве горных пород, обладает различной степенью подвижности. Неподвижная вода бывает связана с породами химически или адсорбирована поверхностью трещин и пор. Очень малую подвижность имеет капиллярная вода. Свободная вода, подверженная давлению вышележащих пород, наиболее активна. Она обладает высокой способностью к фильтрации и циркуляции. Степень взаимодействия вод с горными породами зависит от температуры и химического состава пород. В результате образуются сульфатные, карбонатные, хлоридные, углекислые, сероводородные, бактериологические, радиоактивные воды.

Водопроницаемость скальных пород обусловлена величиной напора вод и способностью их к выщелачиванию (растворению) имеющихся в породах минералов, степенью трещиноватости массива, размерами и ориентировкой трещин.

Считается, что в скальных породах наиболее применим закон Дарси, согласно которому расход профильтровавшейся жидкости определяется как

где К – коэффициент фильтрации, зависящий от геометрии пор, для слабопроницаемых пород К< см/с; i – градиент напора (приращение напора, отнесенное к длине пути фильтрации); S – площадь поперечного сечения потока.

Скорость фильтрации υ = К i зависит от направления системы трещин. Если трещина в породе характеризуется параллельными поверхностями, то скорость фильтрации через одну трещину постоянной ширины

,

где e – раскрытие трещин; γ – удельный вес жидкости; υ – динамическая вязкость.

Для массива горных пород с хорошо развитой системой больших трещин рекомендуется применять формулу Дарси в следующем виде

,

где - гидравлический радиус, = 4 e; λ – коэффициент трения Дарси; g – ускорение свободного падения.

Существенно повышается фильтрация пород, подверженных растягивающим напряжениям, так как в этом случае наиболее вероятно появление микро- и макротрещин. Вначале с увеличением давления пористость пород уменьшается и, следовательно, снижается их проницаемость. Затем при определенной критической нагрузке, когда начинают развиваться микротрещины, коэффициент фильтрации возрастает.

Под влиянием гравитационных сил несжимаемая жидкость, заключенная в порах и трещинах, оказывает значительное поровое давление на твердый скелет породы. Состояние предельного равновесия массива при наличии порового давления p можно записать в следующем виде

.

Отмечено, что в водонасыщенных породах по сравнению с сухими значение модуля деформации снижается, породы приобретают пластические свойства, становятся менее устойчивыми. Особенно опасными в этом отношении являются глинистые породы, известняки, песчаники с низкой прочностью на сжатие.

На рудных месторождениях наибольшее распространение имеют трещинно-грунтовые и трещинно-жильные воды в коренных породах различного литологического состава. Реже встречаются пластовые воды артезианского типа напорных горизонтов. К основным факторам, формирующим подземные воды, относятся такие свойства горных массивов, как мелкая трещиноватость регионального масштаба, тектоническая нарушенность, степень дислоцированности пород, химическая активность (карбонатные воды), образование карстов.

Гидродинамика подземных вод обуславливается взаимосвязью между дебитами водных потоков и давлением в различных участках массива горных пород при стационарном (постоянном) и нестационарном режимах фильтрации. При разработке месторождений подземные воды могут попадать в горные выработки, обводнять породы в зонах сдвижения и обрушения. Особенно опасны внезапные прорывы вод в подземные выработки. Для создания безопасных и эффективных условий отработки на месторождении проводятся специальные работы по осушению шахтных полей.

Влияние газоносности. В массиве горных пород газы могут встречаться в свободном, растворенном, сорбированном или в твердом состояниях (в виде кристаллогидратов). Газовые компоненты бывают представлены как отдельными атомами, так и сложными химическими соединения. Наиболее распространены углекислый газ , оксид углерода СО, метан , сероводород , сернистый газ , азот , водород и др. Часто они бывают в виде различных смесей. Присутствие газов в породах объясняется миграцией из атмосферы, биохимическими и химическими реакциями, происходящими в породах, вулканической деятельностью, радиоактивностью пород.

В изверженных и метаморфических породах накопление газов в глубинных горизонтах объяснятся дегазацией верхних слоев магмы. В результате вулканической деятельности через трещины и поры вместе с парами воды (90 % по объему) поступают газы, содержащие , СО, , , , , , HCl, HF и др.

Радиоактивные газы образуются в процессе распада радиоактивных элементов. Среди них встречаются гелий, эманации радия, тория и др.

Наличие в породах сообщающихся между собою трещин, пор и пустот, а также перепады давления обеспечивают хорошую миграцию газов различного происхождения в свободном или растворенном состояниях и смешивание их между собою. Газопроницаемость пород снижается при уплотнении и цементации пород, увеличении содержания глинистых примесей. Малопроницаемы мелкозернистые слаботрещиноватые породы.

Газопроницаемость, как и водопроницаемость пород оценивается коэффициентом проницаемости или фильтрации по уравнению Дарси.

За единицу газопроницаемости горной породы принимают дарси (Д) – проницаемость образца породы площадью сечения 1 см², длиной 1 см при перепаде давления 0,1 МПа, вязкости газа 1 сПз и расхода его 1 см³/с.

Классификация пород по газопроницаемости (по А.А. Ханину)

Класс пород	Газопроницаемость	, мД
I II III IV V	Очень высокая Высокая Средняя Пониженная Низкая	>1000 500 – 1000 100 – 500 10 – 100 <10

По величине все горные породы в зависимости от пористости и гранулометрического состава зерен разделяются на 5 классов (см. табл.).

На газопроницаемость пород влияет удельная плотность микротрещин. С увеличением сжимающих напряжений газопроницаемость вначале снижается из-за смыкания трещин и уменьшения пор, а затем при росте нагрузок на породу и появлении микротрещин давления – возрастает. Критические напряжения для появления микротрещин во многих случаях не превышают 20 – 25 % от разрушающих. Микротрещины могут появляться при циклической нагрузке – разгрузке пород.

Определение газопроницаемости на практике обычно производиться газомерами по расходу газа в единицу времени. Газоемкость породы определяется количеством газа, который может быть поглощен единицей объема или массы породы, включая газ в свободном или сорбированном состоянии.

Степень заполнения пустот горных пород (трещин, пор, каверн) газами характеризует их газонасыщенность, которая оценивается величиной коэффициента газонасыщения:

,

где - объем природного газа, заполняющего породу; - объем открытых пор и пустот в породе.

Предельное состояние газонасыщенных пород можно рассматривать как условие равновесия Кулона в твердом скелете породы, находящейся под действием напряжений со стороны окружающих пород и гидростатического сжатия сплошного материала газами, заключенными в порах (поровое давление).

Для обеспечения устойчивого состояния газонасыщенных пород и предупреждения внезапных выбросов газов и пород производится предварительная дегазация пород из горных выработок или с поверхности до начала горных работ в блоке, на участке, шахтном поле.