После ликвидации угольных шахт «мокрым» способом вода заполняет оставшиеся полости (выработки, трещины, поры и пустоты в выработанном пространстве). При этом происходит изменение физико-механических характеристик слагающих горный массив пород, что сопровождается деформациями налегающего породного массива и поверхности. Негативные последствия, выражающиеся в деформациях зданий и сооружений, а также в изменении гидрологического режима почвенных и глубинных вод, могут проявляться в течение многих лет после затопления горного отвода. В связи с этим при проектировании схем подготовки и систем разработки, а также при подготовке шахт к реструктуризации необходимо знать и учитывать свойства горных пород и их изменение при различном напряженном состоянии и влагонасыще-нии. Физико-механические свойства слагающих горный массив пород весьма разнообразны и нестабильны. Особенно это относится к прочностным и деформационным характеристикам, которые оказывают существенное влияние на сдвижения горного массива и земной поверхности [1].
Прочностные характеристики сухих пород довольно детально изучены при одноосном и при трехосном напряженном состоянии [3]. Известно, что с проникновением шахтных вод в горные породы, в процессе водонасыщения происходит снижение упругих и прочностных показателей, увеличивается трещинообразование [2]. В сухом состоянии слагающие угленосный массив осадочные горные породы представляют собой двухфазные системы, состоящие из спрессованных различного рода и размеров твердых частиц и заполненных газами пустот между ними. По характеру отношения к воде твердые частицы можно разделить на водоотталкивающие (гидрофобные) и смачиваемые (гидрофильные). Пустоты разделяют на разного размера и формы поры между частицами, а также на трещины. Поступающая в горный массив вода выступает как третья фаза, которая содержится в пустотах в виде паров, пленок, капель, свободной воды и т.п. Различают также физически связанную и кристаллизационную воду [5]. Однако, анализируя сведения о свойствах увлажненных и водонасыщенных пород, можно сделать вывод о том, что в настоящее время они не систематизированы, носят отрывочный характер и нуждаются в уточнении и дополнении. Целью настоящей работы было уточнение в лабораторных условиях качественных зависимостей влияния водонасыщения на прочность и деформируемость горных пород. Испытания производились на образцах, изготовленных из искусственного материала и шахтных пород.
В качестве искусственного материала использовалась гипсопесочная смесь, которая при насыщении водой в первом приближении отражает поведение породы, состоящей как из гидрофобных (песок) так и гидрофильных (гипс) твердых компонентов и пор. Исходный состав смеси для изготовления образцов приведен в таблице 1.
| № образца | Содержание ингридиентов в смеси,% мас. | Время до саморазрушения образца | ||
| песок | гипс | вода | ||
| 1 | 89,50 | 0,50 | 10 | 1 мин |
| 2 | 89,00 | 1,00 | 10 | 2 мин |
| 3 | 88,75 | 1,25 | 10 | 1 ч |
| 4 | 88,00 | 2,00 | 10 | 16 ч |
| 5 | 86,50 | 3,50 | 10 | 25 ч |
| 6 | 86,00 | 4,00 | 10 | 28 ч |
| 7 | 85,00 | 5,00 | 10 | 141 ч |
После затвердения и высыхания образцы одинакового размера помещали в емкость (рис.1, а), на дно которой заливали водопроводную воду таким образом, чтобы все образцы были погружены на 10 % их высоты. После заливки происходило увлажнение образцов за счет капиллярного движения воды, и последующее их саморазрушение под действием гравитационных сил, которое проявлялось, прежде всего, как потеря устойчивости находящегося в воде основания образца (рис. 1,б).
Наибольшее время до разрушения наблюдалось в образце с содержанием гипса 5,0% (см. табл. 1), а наименьшее — с содержанием гипса 0,5%. Из этого следует, что более устойчивы образцы с меньшей пористостью и большим содержанием вяжущего вещества.
Можно предположить, что пористость искусственного материала в данном эксперименте оказывала наибольшее влияние на устойчивость образцов, так как в составе исходной смеси изменение относительного содержания вяжущего (гипса) было невелико. Пористость же определяла повышенное содержание капиллярной воды в материале и связанное с этим снижение внутреннего трения при намокании гипса и смачивании песка. Подтверждением этого вывода является нелинейная зависимость между содержанием в составе гипса и периодом саморазрушения образца. Влияние влаги на прочность горных пород оценивали при одно- и трехосном сжатии образцов породы. Образцы пород изготавливали кубической формы с размером ребра 55 мм. Для испытаний их помещали в рабочую камеру трехосного пресса с независимым перемещением нажимных плит, которые являлись стенками рабочей камеры. Искусственное увлажнение образцов осуществлялось путем безнапорного насыщения шахтной водой, а обезвоживание образцов производилось в эксикаторе с гигроскопическим веществом при вакуумировании и термостатическом высушивании.
При испытании образцов песчаника установлено, что при одноосном сжатии относительная деформация влажных (содержание влаги равно 2,5-3,0%) образцов больше, чем сухих (рис. 2). При этом прочность влажных образцов уменьшалась в 1,1-1,3 раза.
Рис. 2. Изменение относительной деформации от величины приложенных напряжений при одноосном сжатии образцов песчаника: 1; 1' - кремнисто-слюдистый цемент сухой и влажный соответственно; 2; 2' — глинисто-слюдистый цемент сухой и влажный соответственно; 3; 3' — карбонатный цемент сухой и влажный соответственно
Реальная угленосная толща, в отличие от образцов, имеет структурные нарушения. Трещины существуют как в нетронутом массиве, так и в зонах геологических нарушений и вблизи горных выработок [6]. Трещины являются основными коллекторами газов, паров и жидкостей. Именно трещины определяют основной фильтрационный перенос вод в подтопленных массивах. Особенно важно это для сланцеватых пород, образовавшихся из глинистых и илистых осадков. При размоканий окаменевших глинистых и илистых частиц происходит их набухание, связи между ними ослабевают, увеличившиеся в объеме частицы препятствуют фильтрации и даже кнудсеновской диффузии воды в структурную отдельность (кусок или блок). В связи с этим степень водонасыщения и соответствующего изменения физико-механических свойств разрушенных, частично разрушенных и не разрушенных пород будет различна.
С целью установления влияния нарушенности образца на его прочность и усадку были проведены испытания на трехосном прессе. При этом образцы подвергали сжатию по следующей схеме: σ1>σ2=σ3. Напряжение σ1=const=45 МПа. Напряжения σ2=σ3 изменяли ступенчато через 2 МПа от 2 до 20 МПа. Данные испытания изготовленных из аргиллита образцов показывают, что с увеличением структурной нарушенности и водонасыщением пород усадка увеличивалась в 2,0-2,5 раза (рис. 3).
Прочность увлажненных образцов снижается в 2,0 раза (рис. 4). Причем исходная трещиноватость образцов вносит значительно меньший вклад в усадку, чем их водонасыщение [7].
Рис. 4. Изменение прочности аргиллита от количества трещин в образце: 1 — сухие образцы; 2 — водонасыщенные образцы
Как подтвердили проведенные эксперименты, с увлажнением пород их прочность существенно снижается. Следовательно, существует опасность разрушения угле-породных целиков и смещений горного массива после затопления шахт. В связи с этим, для предотвращения разрушения водонасыщенных пород и смещений поверхности, необходимо заблаговременно принимать меры по недопущению деформаций недр.
Из результатов лабораторных исследований сделаны следующие предварительные выводы.
1. Пористые и менее прочные материалы разрушаются при водонасыщении быстрее, чем прочные.
2. Насыщение пород влагой до 3...5% приводит к снижению их прочности в 1,3 раза и к увеличению относительной деформации при одноосном сжатии в 1,25 раза.
3. При объемном сжатии по схеме σ1>σ2=σ3 установлено, что с увеличением структурной нарушенности и водонасыщенности усадка пород увеличивается в 2,0-2,5 раза, а прочность пород снижается в 2,0 раза.
Библиографический список
1. Єрмаков В М. Прогноз зміни стану підробленого гірничого масиву при закритті вугільних шахт. — Автореф. дис. ... канд. техн. наук.: 05.15.11 — ДонФТІ. —Донецьк: ДонФТІ, 1999. — 19с.
2. Алексеев А.Д., Питаленко Е.И., Маевский В.С., Ермаков В.Н. Деформационные процессы в горном массиве при закрытии угольных шахт // Физико-технические проблемы горного производства. —Донецк: ДонФТИ, 1998. — С. 5-9.
3. Карташов Ю.М., Матвеев Б.В., Михеев Г.В., Фадеева А.Б. Прочность и деформируемость горных пород —М.: Недра, 1979. —269 с.
4. Мохначев М.П., Присташ В.В. Динамическая прочность горных пород. — М.: Наука, 1982.— 141с.
5. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. — М: Недра, 1978. — 390 с.
6. Костенко В.К. Влияние структурных изменений в пласте на формирование пожароопасных зон // Горноспасательное дело: сб.науч. тр. — Донецк: НИИГД, 1999. — С. 85-92.
7. Ревва В.Н., Недодаев Н.В., Борисенко Э.В. и др. Влияние водонасыщения на физико-механические характеристики структурно-нарушенных горных пород // Изв. Донецкого горного института, 1999.— №3. — С. 18-20.