Прогнозная инженерно-геологическая оценка безопасности горных работ на глубоких структурных горизонтах угольных месторождений Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

СЕМИНАР 2

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -

2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© Т.В. Тищенко, 2001

УДК 622.8

Т.В. Тищенко

Б

ПРОГНОЗНАЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ НА ГЛУБОКИХ СТРУКТУРНЫХ ГОРИЗОНТАХ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

В зависимости от литологиче-ских особенностей, прочности и гидрофильности пород характер деформаций при пучении может быть различным, например, в виде пластической деформации. Пучение наиболее распространено в породах, вмещающих угли марок «Д» и «Г», где обломочные породы содержат в большом количестве глинистые минералы группы каолинита и гидрослюд. На гори-

езопасность горных работ на глубоких горизонтах оценивается интенсивностью и масштабами происходящих инженерно-геологических процессов.

К инженерно-геологичес-ким процессам, возникающим при освоении глубоких структурных горизонтов угольных месторождений, относятся различные деформации в очистных, подготовительных и капитальных выработках, а также горные удары, выбросы пород и угля.

Степень их влияния на безопасность производства устанавливалась на примере инженерно-геологического изучения угленосной толщи Донбасса в процессе эксплуатации и данных разведки месторождений. В угленосной толще Донбасса залегает 310 угольных пластов рабочей мощности, кровля и почва которых на 80 % представлена аргиллитами и частично алевролитами. К инженерно-геологическим про-цессам в кровле горных выработок относятся сдвижение пород и различные виды обрушения, а к процессам в почве горных выработок - пучение (выдавливание) пород и при крутом залегании слоев - сползание и скольжение.

зонтах 500-600 м пучение достигало 0,1-0,17 м за полугодие, а на глубине 680-800 м - 40-50 см в месяц. Поэтому на горизонтах 500-600 м подрывка почвы практически не производится, а на глубине 800 м она составляет 80-90 % по общей длине выработок.

Было отмечено, что для определенных стадий вторичных изменений состава пород (и соответственно марок углей) выделяются характерные глубины устойчивого недеформированного состояния, ниже которых происходит активизация процесса пучения по мере возрастания геостатических нагрузок. В соответствии с марочным составом углей эти глубины распределяются следующим образом:

Д_

Г-Д_

К-ОС-Т_ ПА-А

_500-550 м _600-700 м _750-800 м _850-1000 м

Интенсивность пластических и упруго-пластических деформаций пород в районах распространения углей различного марочного состава неодинакова и зависит, прежде всего, от их литологиче-ских особенностей и степени вторичных изменений. Мощность толщи с пластическими деформациями пород в почве горных выработок достигает 8-25 м, где формы и размеры обломков при разрушении зависят от текстуры и состава пород, прочности на сжатие и толщины слоя, трещинова-тости, угла падения и глубины залегания.

Что же касается процессов, происходящих в кровле горных выработок, то они систематизированы (в зависимости от инженерно-геологических свойств пород кровли) в табл. 1.

Обрушение - это сдвижение горных пород с разломом и разрушением слоев, отделением от массива отдельных кусков и глыб, чаще всего происходит в очистных выработках из-за слабого сцепления слоя ложной кровли с вышележащей толщей пород. Сам процесс обрушения происходит сразу же при обрушении забоя лавы, где слой разбит естественными и искусственными трещинами на куски, почти не связанными между собой.

Куполение - это образование полостей при обрушении пород кровли (непосредствен-ной или основной) в виде конусов или куполов. Куполение наблюдалось в аргиллитах, алевролитах комковатой тек-

Таблица 1

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КРОВЛЕ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК.

Характеристика пород _кровли_

Наиболее распространенные инженерно-геологические _процессы_

Массивные породы (известняки, прочные песчаники)

• с мощностью слоев более 2-5 м

• с редкими (2-3 на м) трещинами Переслаивание известняков, песчаников, алевролитов

• с мощностью слоев 0,5-2,0 м без поверхностей ослабления

• известняки, песчаники, алевролиты, но с поверхностями ослабления

• толстослоистые алевролиты и аргиллиты

• толстослоистые алевролиты и аргиллиты, но с поверхностями ослабления

Тонкослоистые породы (аргиллиты, алевролиты, иногда с угленосными прослойками) Тонкослоистые породы (аргиллиты, алевролиты, но с поверхностями ослабления) стуры, а иногда и в песчаниках с глинистым цементом. Размеры конусов и куполов зависели от количества и протяженности трещин.

Сдвижение пород - деформации перемещения горных пород вокруг вырабатываемого пространства в горных выработках. При сдвижении пород над выработанным пространством обычно выделяется несколько характерных зон. В непосредственной кровле выработанного пласта нависающие породы образуют зону обрушения, размер которой зависит от мощности выработанного угольного пласта, прочности пород и коэффициента разрыхления, Выше располагаются две зоны «связанного» сдвижения пород: нижняя, где развита трещиноватость, и верхняя с незначительным дроблением пород. В верхней зоне породы подвергаются сжатию, а местами растяжению с образованием трещин.

На глубинах свыше 700 м на угольных месторождениях происходят выбросы пород и угля, а

Деформации не происходит Редкие вывалы, сдвижение

При залегании более массивных пород в непосредственной кровле - зависание, сдвижение, при залегании пород менее массивных - обрушение Образование отдельных вывалов

Местами сплошное обрушение Сплошное обрушение, вывалы

Сплошное обрушение, куполение, вывалы, сдвижение Сплошное обрушение, куполение, вывалы и незначительное сдвижение

также горные удары.

Выбросоопасность пород зависит от их фациальной принадлежности, литологических и минера-лого-петрогра-фических особенностей, газонасыщенности пород, степени их напряженного состояния, физико-механичес-ких свойств и др. Однако установлено, что взрывоопасная обстановка возникает, как правило, при наличии высокопрочных пород и аномально повышенных напряжений с глубин примерно 650-700 м. особенно в пределах антиклиналей, поскольку горизонтальные напряжения там превышают геостатическое давление более чем в 2-3,5 раза (рис. 1).

Результаты изучения напряжений на большой глубине указывают на прямую зависимость между геологическими факто-

рами и величиной напряженного состояния. Наибольшее влияние при этом оказывают тектонические напряжения, которые снижаются до 2-5 раз в самих зонах нарушений. Как основа анализа различных геологических факторов, вызывающих инженерно-

геологические процессы, составлена аналитическая модель устой-

чивости пород:

Кц) = / (усж, Я, L, г, А, Н),

Рис. 1. График прогноза выбросоопасности пород: 1 - выбросо-опасные; 2 - выбросонеопасные

Таблица 2

ХАРАКТЕРИСТИКА КОЭФФИЦИЕНТОВ УСТОЙЧИВОСТИ

Коэффициент устойчивости Тип пород по устойчивости

0,0-0,5 0,5-1,0 1,0-1,5 1,5-2,0 2,0-2,5 и более Весьма неустойчивые Неустойчивые Относительно устойчивые Устойчивые Весьма устойчивые

где К - коэффициент устойчивости; / - вариант по кровле или почве угольного пласта; усж - прочность пород на сжатие; я -показатель структурного ослабления; L - показатель текстурного ослабления; г - плотность; Н -глубина; А - показатель анизотропии прочности пород на растяжение.

По результатам исследований построен график граничных условий устойчивости пород в горных выработках (рис. 2). На нем выде-

ляются зоны неустойчивого состояния пород в обнажениях горных выработок, пройденных вкрест простирания или по падению пород, а также в штреко-образных выработ-

ках.

В процессе практического использования коэффициента устойчивости в Донецком бассейне появилась возможность уже на различных стадиях освоения месторождений оценивать граничные условия поведения пород в выработках, проектируемых на глубоких структурных горизонтах.

Подобным же образом установлена зависимость между величиной смещения пород в горных выработках и сроками эксплуата-

ции (рис. 3). Автор, проведя анализ результатов инструментальных наблюдений сдвижения пород в глубоких горных выработках, как в массиве, так и на моделях из эквивалентных материалов, установил, в отличие от данных сотрудников ИГТМ АН УССР, которые учитывали только горное давление (Глушко В.Т., 1980), также и степень влияния различных геологических факторов на величину смещения контура горных выработок:

ик_п=0,014ьй (К^/ст^—А),

иб = 0,01 4ьн (К2уН/аж& — В), где ик-п - смещение пород почвы и стенок выработки; Ц - смещение пород кровли горных выработок; А, В, Кь К2 - эмпирические коэффициенты; Ь, И - ширина и высота проектируемых выработок.

Отсюда следует, что прогноз тех или иных процессов можно осуществлять весьма оперативно при использовании различных графических методов (рис. 1, 2, 3).

Предлагаемые методы позволяют довольно эффективно и оперативно получать информацию о благоприятности или неблагоприятности геологической среды к возможному проявлению инженерно-геологических процессов при проходке горных выработок.

Количественную оценку состояния геологической обстановки при этом рекомендуется осуществлять путем определения коэффициента устойчивости при освоении глубоких структурных горизонтов.

Рис. 2. График граничных условий устойчивости боковых пород в горных выработках:

1 — состояние выработок, пройденных вкрест простирания или по падению пород; 2 - состояние штрекообразных выработок; К - коэффициент устойчивости пород; Н - глубина выработок, м

Рис.3. График прогноза величины смещений пород в горных выработках: 1 - кровля-почва; 2 -стенки выработок

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Глушко В.Т. «Охрана горных выработок», -Киев, Наукова Дума, 1980.

2. Голодковская Г.А., Шаумян Л.В. «Инженерно-геологическая типизация массивов горных пород», Геология и разведка, № 6, 1998.

3. Иванов И.П. «Инженерная геология месторождений полезных ископаемых», -Ленинград, Недра, 1990.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ