17.2 Физико-механические свойства пород угленосной

толщи Донбасса

Для Донецкого бассейна характерно наличие в угленосной толще около 330 угольных пластов и пропластков, из которых 120 достигает рабочей мощности (более 0,45 м). В среднем мощность угольных пластов составляет 0,7-0,8 м. Добыча угля в Донецком бассейне ведется преимущественно на пологом падении.

Вмещающие породы бассейна представлены литологическими разностями различной степени метаморфизма - наименьшей в зоне развития длиннопламенных и газовых углей, средней в зоне коксовых углей, наивысшей - в зоне развития антрацитов. Основными породами угленосной толщи являются аргиллиты (глинистые сланцы), алевролиты (песчаные сланцы), песчаники и известняки. Количественное содержание пород в угленосной толще Донбасса приводятся в таблице 17.2.

Таблица 17.2 – Соотношение пород в угленосной толще

Донбасса

№ п/п	Наименование пород	Содержание (%)
1	Алевролиты и аргиллиты (песчаные и глинистые сланцы)	55 - 70
2	Песчаники	15 - 40
3	Известняки	1- 4

Кажущаяся плотность горных пород (объемный вес) в зависимости от степени метаморфизма составляет 2.2-2.7 г/см³. Пористость для золы длиннопламенных и газовых углей составляет для песчаников - 10%, для алевролитов - 6%, аргиллитов - 7%. В зоне развития антрацитов пористость песчаников уменьшается до 2,6%, алевролитов - 3,2%, аргиллитов -3,1 %. Основными водоносными горизонтами являются песчаники.

Основными физико-механическими свойствам пород Донбасса являются:

Прочность и твердость

Прочностью называется свойство пород сопротивляться разрушению под воздействием внешней нагрузки и выражается величиной предела прочности пород на сжатие (σ_сж). Среднее значение предела прочности на сжатие приводятся по М.М. Протодьяконову (и их соответствующие значения в МПа) в таблице 17.3

Таблица 17.3 – Пределы прочности на сжатие по

М.М. Протодьяконову и МПа

№ п/п	Наименование пород	По М.М. Протодьяконову	МПа
1	Очень крепкие песчаники и известняки	10	60-150
2	Крепкие песчаники и известняки	8	60-150
3	Обыкновенный песчаник	6	40-60
4	Песчаные сланцы	5	30-80
5	Крепкий песчаный сланец, некрепкий песчаник и известняк	4
6	Разнообразные (некрепкие) сланцы	3	20-60
7	Мягкий сланец, антрацит	2
8	Крепкий каменный уголь	1,5
9	Мягкий каменный уголь	1

Твердостью называется местная прочность на вдавливание, сопротивление, которое преодолевает резец породоразрушающего инструмента при внедрении в породу. В зависимости от степени метаморфизма твердость составляет для песчаников 650-2300 МПа, алевролитов — 420-820 МПа, аргиллитов 200-570 МПа.

Свойство горных пород изнашивать буровой породоразрушающий инструмент в процессе его вращения (трения) носит название абразивности, которая подразделяется на восемь классов. Наиболее абразивными в Донбассе являются песчаники (IІI-V классы), наименее абразивными - аргиллиты (I-II классы).

Сопротивление угля резанию определяется по удельной силе резания (показатель А) в Н/см с помощью специального прибора, при расширении предварительно пробуренного шпура до 62 мм специальной коронкой. По показанию резания все угли разделяются на восемь классов со значениями от 100 до 5000 Н/см.

Трещиноватость, сланцеватость пород и угля существенно влияют на буримость пород, причем в более слабых породах и угле эти явления способствуют повышению скорости бурения, а в крепких - к разрушению резцов при ударах о кромки трещин и, естественной необходимости снижения скорости вращения бурового инструмента.

Анизотропия пород и углей - неодинаковость их свойств в разных направлениях. В зависимости от угла встречи оси скважины и слоистости пород (углей) изменяется и скорость бурения. Кроме того, при бурении первоначально заданных вертикальных скважин и наклонных слоев неравномерная разработка пород приводит к искривлению скважин. Скважины искривляются на восстание пород и влево. Анизотропия горных пород, под которой понимается отношение твердости образца во взаимно перпендикулярных направлениях, изменяется в Донецком бассейне от значений, близких единице (для зоны длиннопламенных и газовых углей) до 1,6-1,7 (для зоны антрацитов).

Устойчивость стенок скважины зависит от трещиноватости, прочности пород и способности их к размоканию. Размокаемость пород снижается от зоны развития длиннопламенных и газовых углей к зоне антрацитов. Размокаемость пород приводит к их пучению, сужению ствола скважины или его обрушению.

Устойчивость скважин, пробуренных по углю, зависит от прочности угля и от внутренних напряжений в пласте. Особо неустойчивыми являются выбросоопасные пласты.

Буримость зависит от комплекса физико-механических свойств горных пород и обычно определяется как скорость бурения в единицу времени (м/час). По буримости все породы подразделяются на двенадцать категорий. Показатели категорийности буримости пород Донецкого бассейна приводятся в таблице 17.4

Таблица 17.4 – Показатели буримости пород Донецкого бассейна

Наименование породы	Категория по буримости	Нормативная механическая скорость бескернового бурения м/ч, для интервала глубины 0-600 м по основным диаметрам
		до 76 мм	93-112 мм
Каменный уголь	III, IV	10,0-5,95	8,93-5,35
Антрацит	V	3,85	3,51
Аргиллит	V, VI	3,85-2,66	3,51-2,29
Алевролит	V,VI VII	3,85-2,66-2,27	3,51-2,29-1,91
Песчаник	VII/VIII, IX	2,27-1,72-1,54	1,91-1,44-1,23
Известняк	VII, VIII, IX	2,27-1,72-1,54	1,91-1,44-1,23

Бурение дегазационных скважин сопровождается выделением метана. Возможны суфлярные выделения метана, что создает опасную ситуацию. В связи с этим бурение дегазационных скважин, из которых выде­ляется метан, без подключения их к газопроводу запрещается. Газовыделение из скважин определяет также ряд условий проведения буровых работ (вентиляция камер, расположение пускового оборудования и т.п.).

При бурении скважин по выбросоопасным пластам возможны выбросы газа, угля, породы, которые спровоцированы внедрением бу­рового инструмента в выбросоопасный массив горных пород. Бурение по выбросоопасным пластам обычно сопровождается газодинамиче­скими проявлениями и признаками выбросоопасности - интенсивным газовыделением, треском, хлопками и ударами в массиве, микровыбросами, повышенным высыпанием угля из скважины с увеличением ее поперечного размера или образованием боковых полостей, простираю­щихся вдоль ствола скважины иногда на несколько метров. Выбросоопасность резко ухудшает условия бурения скважин, приводит к авариям, вызывает необходимость применения дистанционного управления буровыми станками.