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

ками более низких порядков, в пределах тектонических блоков, ограниченных глубокими разрывами, надвигами, флексурными перегибами и другими нарушениями. Их распространение связано с областями и участками новейших и современных тектонических движений и соответственно повышенного или избыточного естественного напряжения пород.

Важное значение имеет также строение слоев, толщ и зон, так как отдельные их составляющие неодинаковы в отношении развития в них различных динамических явлений (Бич Я. А., 1962 г.]. В слоях и зонах однородных плотных и прочных пород значительной и сравнительно значительной мощности происходит концентрация Потенциальной энергии под влиянием горного давления до опасных пределов и поэтому они более склонны к образованию динамических явлений. Слои, толщи и зоны неоднородных пород, переслаивающихся со слоями, прослоями и участками пород слабых, склонных к пластическим деформациям, имеющих низкие пределы текучести, не склонны к накоплению потенциальной энергии; они легко разрушаются, раздавливаются, отжимаются в горные выработки. В газоносных пластах в таких случаях идет интенсивное газовыделение. Следовательно, в зависимости от строения слоя, толщи или зоны пород в пределах месторождения или шахтного поля на одних участках динамические явления могут развиваться, на других — нет. Этим же объясняются различные степень их опасности и вид.

Я. А. Бич [1962 г.] на основании многолетних исследований причин и условий развития динамических явлений на разных угольных месторождениях СССР показал, что процесс деформирования горных пород в зонах опорного давления на разных участках происходит по-разному: на одних только высвобождение потенциальной энергии, на других — одновременно с этим возникновение и повышенного давления газа, т. е. могут начаться процесс внезапного выброса угля и газа или какие-либо другие динамические или газодинамические явления.

Существенное значение для оценки и прогноза динамических явлений имеет также учет степени трещиноватости горных пород, пространственной ориентировки систем трещин, угла их встречи с простиранием поверхности обнаженных пород. Горные удары, например, на месторождениях СУБР в целом на участках I и И категорий опасности наблюдаются там, где отчетливо выражено преобладание поперечной системы трещин. Горные удары III категории опасности наблюдаются главным образом на участках развития диагональной системы трещин. Отчетливой связи горных ударов с продольной системой трешин здесь не обнаруживается. Замечено, что опасные горные

192

Опасные горные удары наблюдаются в основном на участках, где простирание поперечной системы трещин образует с простиранием обнажения пород в выработке угол от О до 30° и от 60 до 90°. Снижение удароопасности наблюдается там, где этот угол встречи изменяется от 30 до 60°. Заметное влияние на удароопасность оказывает и степень трещнноватости

Таковы главные общие региональные и конкретные (местные) геологические условия развития динамических явлений на месторождениях, рудных и шахтных полях, в горных выработках и забоях.

Из горнотехнических условий первостепенное значение имеют: высокое горное давление на отдельных участках, условия вскрытия и система разработки встречными и догоняющими забоями, разработка полезного ископаемого под целиками или оставленных целиков, отставание крепления выработок или недостаточная его мощность, невыполнение мер по снижению напряженности горных пород, их хрупкости с помощью проходки разгружающих скважин, увлажнения пород нагнетанием воды в скважины и других мероприятий, предусмотренных инструкцией по безопасному ведению горных работ на месторождениях, где возможны горные удары ИЗ, 14].

Оценка и прогноз динамических явлений при проектировании освоения месторождений твердых полезных ископаемых, расположенных в определенных геологических условиях, должны обязательно выполняться на стадии разведки месторождений и затем уточняться при производстве горных работ. На первом этапе, т. е. при разведке месторождений, оценивается возможность образования динамических явлений и составляется прогноз степени (категории) их опасности. При выполнении горных работ предварительный прогноз уточняется и затем сменяется непрерывной текущей оперативной оценкой и прогнозом возможных участков проявления динамических явлений, их видов и интенсивности (категории).

Как на первом, так и на втором этапе обычно используются все данные региональных и детальных геологических наблюдений и их анализа в районе месторождения, рудного или шахтного поля, в горных выработках и на отдельных их участках, а также данные специальных полевых опытных работ, наблюдений и измерений.

Из полевых методов, опытных работ, специальных наблюдений и измерений наиболее часто применяют: метод разгрузки горных пород для оценки их напряженного состояния; наблюдения за деформациями горных выработок и измерения деформаций и действующих давлений на крепь для оценки напряженно-

деформированного состояния горных пород; наблюдения за состоянием керна из буровых скважин, степенью и распределением трещиноватости горных пород для оценки их физического состояния, хрупкости и прочности; испытания горных пород специальными давильными установками и штампами для оценки их прочности, упругости и хрупкости; измерения скорости распространения упругих волн в горных породах (методами сейсмическими, микросейсмическими, акустическими и лабораторным — ультразвуковым) для оценки их деформационных свойств; измерение удельного и кажущегося электрического сопротивления горных пород, их импульсного электромагнитного сопротивления для оценки их напряженного состояния и механических свойств и др. Описание этих методов приведено в ряде работ (12, 13, 14, 38].

Кроме перечисленного на угольных месторождениях потенциально опасными считаются породы, имеющие прочность на сжатие более 80 МПа, залегающие на глубине более 500 м, особенно когда при бурении скважин наблюдается дискование керна, т. е. его деление на вогнуто-выпуклые диски толщиной менее 7з диаметра. Для таких пород также характерно, что отношение предела прочности керна на сжатие к растяжению превышает 25.

Газодинамические явления в подземных горных выработках.

Это главным образом быстро протекающие геологические явления в виде разрушения газоносных пластов углей, руд и горных пород в прнзабойных частях подготовительных и очистных выработок, сопровождающиеся повышенным выделением газа

иперемещением пли выбросом разрушенных масс в выработку,

Кэтим явлениям относятся; внезапные выбросы угля и газа, внезапное выдавливание, обрушение и высыпание угля с повышенным выделением газа и выбросы угля и горных пород при выполнении взрывных работ [12], Кроме того, известны внезапные выбросы пород, руд и газа на калийных рудниках [41].

Газодинамические явления отличаются от динамических участием в их образовании и развитии давления газа и поэтому более сложные. Они происходят на многих угольных месторождениях, но особенно часты на шахтах Донецкого, Кузнецкого, Карагандинского и Печорского угольных бассейнов, на месторождениях Дальнего Востока и Сахалина. Один случай таких явлений отмечен на Талнахском месторождении угля в Норильском районе и многочисленные на калийных рудниках Верхнекамского (Соликамский, Первый и Второй Березниковские) и Старобинского (Первый, Второй и Третий Солегорские) месторождений.

Выбросы угля и газа обычно сопровождаются перемещением угля из забоя в горную выработку, которое может происходить с различной скоростью, но чаще быстро или мгновенно. При

1 9 4

ной массы и газа нередко перемещаются и крупные куски угля и обломки горных пород, сдвигаются и опрокидываются вагонетки, разрушается крепь, а выработка на то или иное расстояние от забоя полностью или частично заполняется угольной мелочью. Объем выбросов мол^ет изменяться от нескольких тонн до 10—15 тыс. т угля и от десятка до сотен тысяч кубических метров газа. В Советском Союзе самый крупный выброс произошел на шахте-км. Гагарина в Донбассе при вскрытии пласта на горизонте 710 м. Из мировой практики известны случаи, когда мгновенные выбросы засыпали людей на своих рабочих местах.

Выдавливания, обрушения и высыпания угля сопровождаются также перемещениями угля и горных пород, но на сравнительно небольшие расстояния от забоя. При этом в пластах угля также образуются полости, но менее глубокие и более широкие в устье и много выделяется газа. Такие явления обычно не вызывают повреждений горных выработок.

Таким образом, из газодинамических явлений наибольшую опасность и затруднения при выполнении горных работ составляют внезапные выбросы угля и газа, а на соляных месторож- дениях—выбросы солей и газа. Именно под действием опорного давления и газа в определенных геологических условиях возникают сосредоточенные в пространстве и во времени явления большой интенсивности. Когда говорят о газодинамических явлениях, обычно имеют в виду в первую очередь внезапные выбросы угля и газа.

Следует отметить, что этим явлениям часто предшествуют некоторые предупредительные признаки, как то: откалывание и отскакивание кусков угля от обнаженных его поверхностей (стреляние), появление толчков, треска, шумов в толще горных пород, зажим бурового инструмента при проходке шпуров и скважин, дискование керна, появление зон и участков высокой раздробленности угля, отжим угля в забое, повышенное выделение газа и др. Установлено, что в местах внезапных выбросов

в определенных геологических условиях, из которых первостепенное значение имеют: степень газоносности углей и горных пород и повышенное давление газа, мощность угольных пластов, их строение и петрографические особенности (марка угля), прочность и фазово-физические свойства, тектоническая нарушенность и раздробленность, глубина залегания от поверхности земли и повышенная естественная напряженность. Важное значение при этом имеет необводненность угленосных толп! и низ-

напряженного состояния горных пород в зоне влияния горных выработок, применение буровзрывных работ и несвоевременное выполнение мероприятий по устранению выбросоопасности по причине трудности прогноза таких явлений в отдельных случаях. Согласно инструкции по безопасному ведению горных работ 112] угольные пласты подразделяются на выбросоопасные, угрожаемые (склонные к таким явлениям) и невыбросоопасные. В отдельных случаях могут выделяться особо опасные участки.

Большое число факторов, влияющих на развитие газодинамических явлений, указывает на сложность условий их образования. Эта сложность часто определяется тем, что при, казалось бы, одинаковых геологических условиях один и тот же пласт угля на одном участке выбросоопасен, на другом нет. Так, например, во многих случаях по расчету на определенной глубине шахтного поля напряжения в призабойной части угольного пласта получаются одинаковыми, как и другие горнотехнические условия, и уголь должен бы разрушаться и перемещаться (выбрасываться) в сторону выработанного пространства, однако это происходит не везде, а только в определенной части поля, где выявляются признаки, не сразу явно выступающие, но при прочих равных условиях имеющие решающее значение.

Поэтому при изучении, оценке и прогнозе внезапных вы-

месторождения. При выполнении такой работы надо уделять внимание всем возможным факторам, так как любое упущение здесь может обернуться опасным явлением.

Газоносность углей и горных пород — одна из важнейших причин образования выбросов угля и газа. С увеличением глубины залегания углей их газоносность, содержание главным образом метана, возрастает и соответственно повышается опасность образования таких явлений. В центральном районе Донбасса угли с газоносностью 7 м^/т твердой массы и менее считаются неопасными, а при 20 м^/т и выше — безусловно выбросоопасными. Согласно инструкщш по безопасному ведению горных работ [12] в Донбассе на глубине, где угли характеризуются выходом летучих веществ более 35 %, они считаются неопасными по выбросам. Во всех других случаях, показанных в соответствующих таблицах, угольные пласты относятся к категории опасных.

Известно, что в Донецком бассейне между давлением газа в угольном пласте и его опасностью по выбросам непосредственной связи нет [31]. На пластах с давлением газа 2,5—3 МПа внезапных выбросов не происходило и в то же время они возникали на пластах с давлением газа 0,2—0,3 МПа. В большинстве случаев выбросы происходят из угольных пластов с высокой газоносностью при давлении газа 0,6—1 МПа. На калийных рудниках отличительными особенностями внезапных вы-

196

бросов являются повышенная газоносность пород и высокое давление газа —до 6—8 МПа [41].

При анализе условий образования выбросов важно учитывать значение мощности угольных пластов и особенно их строение. С увеличением их мощности при прочих равных условиях снижается устойчивость забоев, происходят отжим угля и, как следствие, смещение кровли. Сложность строения угольных пластов возрастает с увеличением в них числа прослойков и пропластков других пород. Для Донбасса замечено, что наиболее опасными являются пласты с пропластками углистых пород и менее опасными — с прослойками пород без остатков органики, являющимися более прочными.

Замечено также, что выбросы наиболее часто связаны с углями определенных марок [12] —жирными (Ж), коксовыми (К), спекающимися (С), тощими (Т) и малометаморфизованными антрацитами (А), разрушенными, перетертыми, имеющими брекчиевидную, линзовидную, землисто-зернистую или земли-

ние») сорбированного углями газа с более высокой скоростью. При этом угля, опасные по выбросам, имеют, как правило, естественную влажность ниже возможной их гигроскопической влажности, а степень водонасыщения не превышает 0,30—0,35. В опасных участках и зонах степень заполнения пор и пустот

свойств угли обладают пониженными прочностью, крепостью и хрупкостью, более легко разрушаются и приходят в движение под влиянием опорного и газового давления. Пространственно такие условия обычно наблюдаются на участках н в зонах пли-

возникать начиная с глубины 150—200 м, в других они происхо-

в Печорском бассейне с 400 м. Следовательно, с этих глубин надо усиливать наблюдения за различными предшествующими выбросам признаками и выполнять работы по оценке и прогнозу их образования.

Такова геологическая природа, причины и условия образования наиболее опасных геологических явлений—^газодинамиче- ских. Их образованию и развитию способствуют и определенные горнотехнические условия: увеличение глубины производства горных работ, концентрация опорного давления, интенсивность взрывных работ и др.

Оценка и прогноз образования выбросов должны производиться на всех этапах освоения месторождений: при разведке;

197

при строительстве шахт, вскрытии толщ и пластов угля и других видов полезных ископаемых; при производстве горных работ в подготовительных и очистных подземных выработках. Соответственно следует paЗv^ичaть несколько видов прогнозов: !) региональный для перспективной оценки выбросоопасности месторождения или отдельных его частей, участков, зон и глубин; 2) локальный для установления фактической опасности угольного пласта или толщн полезного ископаемого, подготовленных для разработки; 3) оперативный (текущий) для установления фактической опасности участка, зоны, забоя, разрабатываемого пласта.

Согласно инструкции по безопасному ведению горных работ 112] выбросоопасность угольных пластов оценивается комплексным показателем В по конкретным значениям показателей действующих сил Ра и устойчивости пластов с учетом их неоднородности Мпу которые определяются по специальным таблицам.

Оценка и прогноз возможности развития газодинамических явлений вызывают необходимость осуществления различных мероприятий с целью их предупреждения и защиты от их опасного

ствия опережающей разработки защитных пластов для сниже-

обеспечивает безопасное выполнение горных работ на соседнем опасном слое; 2) увлажнение и дегазация угольных пластов, опасных в отношении газодинамических явлений, с помощью буровых скважин, пробуренных на значительную глубину от забоев подготовительных, очистных и других выработок.

Мероприятия по непосредственной защите от опасного действия газодинамических явлений выполняют в действующем забое на ограниченном участке впереди движения забоя. Они достаточно разнообразны и включают: увлажнение пластов угля и пород впереди забоя, их дегазацию неглубокими скважинами, устройство разгрузочных пазов и полостей в пластах угля и вмещающих породах, сотрясательное взрывание, торпедирование и другие, вызывающие повышение газопроницаемости и дегазации пород и углей. Важнейшим видом таких мероприятий являются профилактические, включающие наблюдения за всеми предупредительными явлениями и оперативный контроль за вы-

полезных ископаемых подземным способом не только нарушаются равновесие н устойчивость горных пород непосредственно по контуру подземной выработки, но и происходят более значительные геологические явления. Почти повсеместно на уголь-

98

ных, рудных, соляных и других месторождениях наблюдаются перемещения и сдвижения горных пород различных объемов в зоне влияния подземных горных выработок. Когда эти явления достигают поверхности земли, образуются мульды оседания (сдвижения), трещины и крупные разрывы горных пород и провалы. Все такие явления нарушают сохранность территорий, сооружений и комплексов сооружений в городах на значительных подработанных площадях, вызывают их разрушения и аварии, наносят огромный ущерб народному хозяйству и условиям

рождении в Узбекистане и др.), происходит заболачивание и затопление больших плош.адей (Карагандинский бассейн и др.). Большую опасность такие явления представляют при подработке различных водных объектов (рек, озер, водохранилищ, морен, заболоченных территорий, старых затопленных горных выработок, мощных водоносных горизонтов и комплексов и др.), так как при зтом возникают большие притоки воды в горные выработки, прорывы в них воды, плывунов и затопление. Поэтому уже давно возникла проблема охраны территорий, сооружений, условий жизни и деятельности людей в зоне влияния подземных выработок.

Все такие геологические явления уже давно получили обобщенное название «сдвижение горных пород». Результаты их изучения приведены в многочисленных работах специалистов, главным образом маркшейдерского профиля: П. М. Леонтовича, И. М. Бахурина, С. Г. Авершина, Д. А. Казаковского, М. А. Куз-

Всесоюзного научно-исследовательского института маркшейдерского дела (ВНИМИ). Вопросам этой проблемы посвящено множество статей в периодической печати, а также различных руководств и инструкций 139, 40, 43]. Спедиалисты геологического профиля, и в том числе инженеры-геологи, этими вопросами пока, как правило, не занимаются, что нельзя считать нормальным. Практика показывает, что многочисленные деформации территорий, зданий и сооружений при их подработке связаны с тем, что не уделялось должного внимания изучению инже- нерно-геологических условий месторождений.

Геологическое пространство, в пределах которого происходят сдвижение горных пород и деформации земной поверхности, является зоной влияния подземной выработки. Границы ее определяются граничными углами по главным направлениям, т. е. по простиранию 6о, по падению в висячем боку Ро, в лежачем боку ро1 и по восстанию пласта или залежи полезного ископаемого Yo (рис.У1-14).Эти углы между горизонтальной линией и линией, соединяющей граничные точки сдвижения на поверхности земли, являются внешними относительно выработанного

m

туривает мульду сдвижения горных пород над выработанным пространством. В пределах этой мульды углами сдвижения выделяется часть, где сдвижения и деформации наиболее значительны н опасны (рис. VI-14). Углы сдвижения определяют так же, как и граничные углы, и обозначают в коренных породах буквами б, р н Y> 3 в четвертичных отложениях во всех направлениях ф.

положение точки максимального оседания определяется углом

Таковы геометрические параметры, используемые для характеристики и количественной оценки явлений сдвижения. Однако

можных деформаций поверхности территорий и расположенных на них сооружений.

Формирование области сдвижения определяется инженерногеологическими условиями месторождений и горнотехническими условиями их разработки. Из первой группы условий первостепенное значение имеют: геологическое строение месторождения, а конкретнее — условия залегания пород (слоистые горизонтальноили пологозалегающие толщи, значительно дислоцированные крутонаклонные или неслоистые массивные), их состав, строение и физико-механические свойства (скальные или полускальные). Большое влияние оказывает также степень трещиноватости пород, наличие тектонических нарушений и мощность рыхлых четвертичных отложений в пределах месторождения, шахтного или рудного поля. Наконец, очень большое значение имеют форма, мощность и глубина залегания слоев, за-

201