ENG GEO / 1Tri / Eng Geo / Engineering Geology of MD

шиеся органические образования, в той или иной степени разложившиеся.

Дальнейшие изменения окружающих условий при прогрессивном развитии осадочного процесса и погружении толщ пород на все большие и большие глубины ведут к последовательному превращению торфа в уголь бурый, последнего в каменный уголь и затем в антрацит. Совокупность процессов изменений и превращений растительных остатков от торфа до антрацита принято называть углефикацией. При этом первую стадию этого процесса — превращение торфа в бурый уголь — называют диагенезом, а вторую —созревание углей, т. е. дальнейшее их изменение от бурых до антрацита, — метаморфизмом.

Угли и вмещающие их породы в геологическом разрезе любого участка земной коры образуют всегда единый комплекс осадочных образований. Процесс их изменения на рассматриваемом этапе литогенеза протекает одновременно, но проявляется неодинаково в связи с различным вещественным составом их. Поэтому связь метаморфизма углей с литификацией вмещающих пород и изменениями их свойств вполне естественна и закономерна. На это обращали внимание Ю. А. Жемчужников, Н. В. Логвпненко, Е. О. Погребицкий, П. В. Зарецкий, М. Л. Левенштейн, В. Л. Свержевскик, Б. К. Чичуа и многие другие исследователи. Особенно большой интерес в этом плане представляют работы С. И. Малиннна [27] и В. Е. Забигайло, А. 3. Широкова й др. [4].

Установлено, что повышение степени метаморфизма углей обычно проявляется в уменьшении содержания в их составе летучих компонентов и влаги, увеличении содержания углерода, повышении плотности органической массы и, главное, в повышении их прочности и крепости. В соответствии с этим выделяются определенные технологические марки углей (табл. IV-3). отражающие степень их метаморфизма.

Угли марок Б, Д и Г встречаются обычно среди глинистых пород средней степени литификации, т. е, в уплотненных глинах, В Донецком бассейне это уплотненные размокающие в воде глины. На начальных стадиях катагенеза не наблюдается признаков изменений их минерального состава [4], так же как и глинистого вещества цемента песчаников и алевролитов.

Угли со степенью метаморфизма, отвечающей маркам Ж, К и С, встречаются в глинистых породах высокой степени лити-

ричными изменениями их минерального состава. Например, по глинистым минералам начинают развиваться вторичные гидрослюды, появляются новообразования кварца в виде мелких, очень частых выделений неправильной формы с расплывчатыми облачными контурами. В алевролитах и песчаниках отмечается

111

гидратация биотита, замещение плагиоклазов гидрослюдой, а калиевых полевых шпатов — каолинитом.

Угли высокой степени метаморфизма, отвечающие маркам Т и А, встречаются среди пород весьма высокой и предельно высокой степени литнфикации и даже в некоторой степени метаморфизованных. Это плотные аргиллиты, аргиллиты с признаками сланцеватости и даже глинистые сланцы. На этой стадии литификации пород происходят существенные изменения в их минеральном составе и строении. Например, в глинистых породах и в цементе обломочных пород (песчаников и алевролитов) наблюдается резкое увеличение содержания гидрослюд за счет преобразования первичных минералов. Здесь же появляются признаки бластеза, т. е. перекристаллизации в твердом состоянии вторичных гидрослюд. Интенсивно развивается и вторичный кварц. В песчаниках, как и в алевролитах, наблюдается заметное или даже полное исчезновение биотита, который замещается мусковитом, хлоритом и др. Таким образом, на этой стадии литификации пород происходят существенные изменения их состава и строения.

В соответствии с постдиагенеткческими изменениями горных пород при литификации и метаморфизмом углей изменяются и их физико-механические свойства, описание которых приведено выше. Дополнительно можно отметить следующее. По данным исследований в Донбассе, Кузбассе и на Уральских месторождениях угля, угли бурые, длиннопламенные и газовые обычно залегают среди пород, средняя плотность которых изменяется от 2,15 до 2,35 г/см®; жирные, коксовые и спекающиеся

нения упругих волн изменяется от 2600 до 3500 м/с, а тощие и антрациты залегают среди пород, скорость распространения упругих волн в которых изменяется от 4000 до 5000 м/с.

112

Глава V

НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД, ЕГО ИЗМЕНЕНИЕ И ПРОЯВЛЕНИЯ ПРИ ПРОХОДКЕ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК. ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ

V-1. Естественное напряженное состояние горных пород

Горные породы в условиях естественного залегания обычно находятся в состоянии всестороннего сжатия, развивающегося под влиянием веса вышележащих горных пород (гравитационных сил), тектонических движений (тектонических сил), температурных градиентов и геохимических процессов. Внутренние напряжения в горных породах создаются уже при их формировании: в магматических при остывании и раскристаллизации магмы, в осадочных при гравитационном и геохимическом уплотнении осадков, в метаморфических при перекристаллизации исходных осадочных и магматических пород и сопровождающих эти процессы тектонических движениях. Таким образом, компоненты, слагающие горные породы (кристаллы минералов, их обломки и обломки горных пород), кристаллизуются, уплотняются и цементируются в сжатом состоянии под воздействием контракционных, гравитационных и главным образом тектонических сил.

Однако современное напряженное состояние горных пород обусловлено главным образом новейшими геологическими процессами. Свидетельством того, что они находятся в напряженном состоянии, являются: непосредственные измерения напряжений, расчеты и моделирование явлений, а также наблюдения за уменьшением влажности и пористости пород с глубиной и повышением плотности; напряженное состояние коренных пород проявляется в землетрясениях, неотектонических движениях, различных деформациях их в горных выработках и в том числе динамических (стреляние, выбросы угля и газов, горные удары), разуплотнении пород, появлении в них трещин, систем трещин и зон трещин упругого отпора при разгрузке; аномально высокое пластовое давление на нефтяных и газовых месторождениях и другие явления.

Гравитационные нагрузки на платформах в осадочных породах могут достигать 120—150 МПа, а в геосинклинальных зо- нах—400—500 МПа и более. В приповерхностных горизонтах земной коры напряжения в горных породах, обусловленные весом вышележащих пород, находятся обычно в пределах от 0,1— 0,2 МПа на глубине 10—20 м до 2—3 МПа на глубине 100— 150 м и достигают 20—30 МПа на глубине 1000 м. Тектониче-

114

ские силы вызывают напряжения до десятков тысяч мегапаскалей.

До недавнего времени при определении внутренних напряжений в горных породах исходили из теории, сформулированной швейцарским геологом А. Геймом [1878 г.]. Согласно этой теории напряжения в горных породах определяются только глубиной их залегания от поверхности земли

Oi^yH,

где oi — вертикальное главное напряжение, Па; y — плотность пород, г/см^; Я — глубина залегания пород, м,

А. Гейм полагал, что напряжения в земной коре распространяются по гидростатическому закону, т. е.

где Ста=~ горизонтальные главные напряжения.

Русский ученый акад. А. Н. Динник [1925 г.] показал, что твердые горные породы до некоторой достаточно значительной глубины находятся в упругом состоянии и их деформации подчиняются главным образом закону Гуна. Поэтому напряжения в таких породах не везде следуют гидростатическому закону и их горизонтальная составляющая зависит от коэффициента бокового давления, показывающего, какая часть вертикальной нагрузки передается в стороны, т. е.

А. Н. Динника, горизонтальные напряжения в твердых горных породах равны

Коэффициент поперечной деформации скальных и полускальных пород изменяется от 0,1 до 0,4, а песчаных и мягких глинистых — от 0,2 до 0,5. Следовательно, коэффициент бокового давления может достигать максимального значения, равного единице, на глубинах, представляющих практический интерес, только в мягких глинистых породах. Поэтому гидростатическое напряженное состояние горных пород в приповерхностных горизонтах земной коры может иметь место только в редких случаях.

В настоящее время непосредственные измерения, произведенные на глубинах от 6—15 до 1000—1100 м от поверхности земли, показали, что горные породы испытывают естественные напряжения значительно большие, чем давления, определяемые расчетным путем по теории А. Гейма и А. Н. Динника. При

1 1 5

ЭТОМ горизонтальная составляющая напряжений достигает 30— 78 МПа и значительно превышает вертикальную, т. е. имеет избыточное значение. Измеренные вертикальные напряжения в от-

тальным направлениям для различных районов мира. Если бы горизонтальные напряжения были обусловлены гравитационными силами, то сумма их в каждом районе соответствовала бы линии ОС. Однако подавляющее большинство точек наблюдений расположено вдоль линии АВ.

На рис. V-2 показаны результаты измерений напряжений на 17 рудниках Швеции, Норвегии и Финляндии [Хает Н., Нильсон М., 1964 г.]. Из этого рисунка видно, что в кристаллических породах Балтийского щита сумма горизонтальных главных напряжений у поверхности земли paerfa 16 МПа. Следовательно, горизонтальные главные напряжения в несколько раз больше вертикального давления. Если бы горизонтальные главные на-

блюдений располагается по линии АВ.

116

600

На уровне, прилегающем к дневной поверхности, сумма горизонтальных главных напряжений аг+оз, как видно на рис. V-2, равна 16 МПа. От этого исходного значения горизонтальные напряжения линейно возрастают с глубиной. На глубине 100 м они в 10 раз больше веса перекрывающих пород, т. е. составляют примерно 30 МПа, а на глубине 1000 м равны уже 105 МПа. Следовательно, горизонтальная составляющая поля напряжений увеличивается с глубиной и на каждом данном уровне обычно в несколько раз превышает вес перекрывающих горных пород. Эта закономерность подтверждается материаламк непосредственных измерений, выполненных в различных районах мира.

Обобщения данных измерений напряжений в горных породах, выполненные П. Н. Кропоткиным 1971 г.], Н. К. Булиновым [1971, 1972 гг.], Д. П. Прочуханом _ 1971 г.] и Г. А. Марковым [1973, 1977, 1978 гг.], показывают, что избыточные, особенно горизонтальные, напряжения наблюдаются повсеместно, на всех континентах, главным образом в горных породах кристаллического фундамента и в складчатых комплексах. Они обнаружены на Балтийском щите Русско-Восточно-Европейской платформы, на Канадском щите Северо-Американской платформы, в Либерии и Египте на Африканской платформе, в нижнепалеозойских

1 1 7

Донецкого бассейна, Центрального Казахстана (Коунрад, Джезказган), Аппалачей и других районов востока США, Юго-Вос- точной Австралии и о. Тасмания. Они установлены также в поясах более молодой мезозойской и кайнозойской (альпийской) складчатости в Британской Колумбии (Западная Канада), Малайзии и Иране, Португалии, Алайском хребте, Альпах и Калифорнии. Наконец, они обнаружены в нижнепалеозойских изBecTHHZiax осадочного чехла Северо-Американской платформы на глубине 700 м. Здесь сумма главных горизонтальных напряженийСТ2+ 03 равна 724-10® Па; она на 30010^ Па превышает удвоенное вертикальное напряжение, обусловленное весом вышележащих пород.

На составляющие напряжения огромное влияние оказывают петрографические особенности пород и их физико-механические свойства, т. е. их принадлежность к определенной группе по ин- женерно-геологической классификации [19]. Материалы перечисленных выше многочисленных измерений показывают, например, что избыточные горизонтальные напряжения наблюдаются преимущественно в породах кристаллического фундамента и складчатых комплексов; в породах осадочного чехла они встречаются значительно реже и только на значительных глубинах.

новейших п современных тектонических движений. Поэтому нельзя считать эти напряжения «остаточными», сохранившимися от более отдаленных геологических эпох. Их связь с позднекайнозойскими движениями подтверждается также временем релаксации упругих напряжений в верхних консолидированных слоях земной коры, которое значительно меньше продолжительности четвертичного периода.

" Распределение тектонических напряжений в горных породах может быть весьма неравномерным. Наблюдается неравномерное, но повсеместное уменьшение избыточных напряжений к поверхности земли, что можно объяснить их релаксацией в зонах повышенной трещиноватости горных пород, а иногда и некоторой их выветрелостью. Кроме того, на изменение и перераспределение напряжений в горных породах оказывают влияние их структурно-тектоническое положение в земной коре, расположение тектонических нарушений и трещиноватость, а также их разгрузка, возникающая вследствие процессов денудации, эрозионных врезов и при вскрытии горными выработками. В некоторых случаях возникают зоны, очаги концентрации напряжений. Так, например, при строительстве подземной гидроэлектростанции Пикото в Португалии в гранитах вблизи крутопадающей тектонической зоны напряжения составляли 20 МПа, а на расстоянии 16 м от этой зоны всего 3,5 МПа, т. е. были почти в 6 раз меньше.

Высокие и неравномерные напряжения обнаружены в метаморфических сланцах района Саяно-Шушенской ГЭС на

118

p. Енисее [Кутепов В. М., 1965 г.]. Измерения показали, что максимальные напряжения сосредоточены вблизи стенок штолен п в лриконтактовой части тектонической зоны, где вертикальные напряжения достигают 24,5—48 МПа, а горизонтальные 24— 36 МПа. За пределами этой зоны, обнаруженной при проходке штольни, вертикальные напряжения составляли 9,7 МПа, а горизонтальные 5,9 МПа.

На Кольском полуострове в районе Хибинских апатитовых

пряжения в кристаллических породах докембрия изменяются от

03 = 37 МПа (рудник «Кукисвумчорр>). Характерно, что в выработках, где наблюдается стреляние, напряжения достигают значений, близких к пределу прочности горных пород

Высокие напряжения в горных породах Хибин, как и других районов, связывают с дифференцированными подвижками отдельных блоков земной коры по тектоническим зонам, сопровождающимися землетрясениями силой до 5 баллов. Эти подвижки являются причиной концентрации напряжений в отдельных зонах и очагах, где в настоящее время ведутся горные работы.

Избыточными напряжениями в твердых горных породах по сравнению с гравитационными могут быть не только горизонтальные, но и вертикальные. В этом отношении примечательными являются исследования, выполненные в Донецком бассейне [6]. Так, например, в Центральном районе, в западной части Главной антиклинали (шахта «Красный профинтерн») максимальное значение вертикальной составляющей напряжений

равно 3,8 у/У. В Донецко-Макеевском районе на участке пологих склонов крупных котловин, осложненных вторичной

ствольный двор) показали, что вертикальные напряжения примерно одинаковы и равны 2,8 уЯ, а по измерениям на станциях

119

Т А Б Л И Ц А V-I

Результаты измерений естественных напряжений в горных породах «а рудниках и шахтах СССР

0)" Налряжеявя, МПа X

Районы о Авторы

>>

ffj

Гдовское месторождение сланцев (Эстония)

ние угля, шахта им, Урицкого

120