заочники ГИ 2011 / РКК ОГПГ / Основы горнопром. геол

Основы горно-промышленной геологии

Объектами горно-промышленной геологии являются разрабатываемые МПИ.

Геологическое обеспечение горных работ осуществляет шахтная (рудничная) геологическая служба. Начальную геологическую информацию эта служба получает от ГРЭ, ГРП. Решает шахтная служба задачи эксплуатационной разведки.

Основные виды геологической документации – производятся зарисовки забоев, уступов, карьеров, составляется их описание, также заполняются журналы опробования, описания керна и шлама скважин, отбираются образцы, керн и шлам скважин, с которых изготавливаются шлифы и аншлифы. Одновременно с этими работами фотографируются участки с рудной минерализацией, а также шлифы и аншлифы.

В результате анализа и обобщения этих материалов на предприятиях составляют:

1) погоризонтные геологические планы, на которые наносятся структурные элементы, стратиграфические границы, технологические типы и сорта полезных ископаемых;

2) поперечные и продольные геологические разрезы, характеризующие морфологию и условия залегания тел полезных ископаемых, положение водоносных горизонтов, инженерно-геологических условий залегания руд.

3) погоризонтные качественные, сортовые или геолого-технологические планы

и др. разрезы и карты, несущие информацию о месторождении.

На угольных месторождениях составляется следующая документация:

1) план (карта) выхода угольных пластов под покровные отложения;

2. гипсометрические планы или вертикальные проекции (крутое парение) угольных пластов;

3. геологические рабочие планы по угольным пластам;

4. планы изолиний мощности;

5. планы (или вертикальные проекции) изменения качества углей в изолиниях содержания золы, влаги, выхода летучих компонентов, серы и др. показателей;

6. литолого-прогностические планы пород кровли (на шахтах) и почвы (на карьерах) угольного пласта;

7. альбомы структурных колонок угольного пласта.

Основными факторами, влияющими на условия разработки п.и. являются:

1. морфология тел п.и.; 2) степень изменчивости их на шахтном (рудничном) поле и в пределах отдельных эксплуатационных блоков; 3) тектонические условия залегания тел п.и. и трещиноватость горных пород; 4) обводнённость МПИ; 5) газоносность МПИ; 6) геотермические условия (для глубоких шахт); 7) устойчивость горных пород.

Изучение перечисленных факторов является основным объектом исследований шахтной (рудничной) геологии.

Также этими факторами определяются системы разработки МПИ, виды технического обеспечения очистных и подготовительных работ в забоях, безопасное ведение горных работ, величину потерь запасов, экономические показатели и рентабельность горно-добычного производства.

●При изучении мощности и строения рудных залежей большое значение имеет определение их контактов с вмещающими горными породами. Тщательно изучаются геологами переходные зоны от монолитных к вкрапленным рудам.

Для жильного типа оруденений характерно частое чередование раздувом и пережимов. Изучение этих особенностей позволяет устанавливать местоположение наиболее обогащенных рудных столбов и выбирать наиболее эффективные способы разработки МПИ. Большое значение имеет изучение апофиз (ответвлений рудных жил), запасы ПИ в которых могут быть весьма значительными. На угольных месторождениях изучаются изменение мощности и строения пластов (их выклинивание, расщепление, разрывы и пережимы).

●При изучении вещественного состава МПИ определяют:

1. минеральные комплексы руд, которые встречаются на месторождении,

2. стадийность их образования,

3. тектонические и структурные условия их залегания,

4. изменение вмещающих пород гидротермальными процессами,

5. физические свойства ПИ и горных пород,

6. удельный вес, крепость и влажность пород.

●Изучение тектонических нарушений

Тектонические нарушения, особенно разрывного характера, являются одним из самых неблагоприятных геологических факторов при разработке МПИ. Они затрудняют ведение горных работ, сокращают фронт очистных работ и препятствуют их механизации. Из-за разрывных нарушений возникает необходимость проходки больших объемов подземных выработок и буровых работ для поисков смещенной части пласта или жилы, увеличивается степень трещиноватости горных пород и уменьшается их устойчивость. Разрывные нарушения обусловливают высокую водонасыщенность пород и скопления газа в угольных горизонтах.

В первую очередь при изучении разрывных нарушений МПИ устанавливаются элементы залегания разлома: простирание и падение сместителя, которые выносятся на геологические карты и разрезы.

Геологическими способами поисков смещенного крыла являются:

1. изучение характера распределения материала в зоне дробления (брекчирования),

2. определение направления штрихов скольжения на площади сместителя,

3. установление стратиграфического положения маркирующих слоев в разрезе.

На многих месторождениях наблюдаются закономерности характера проявления тектонических нарушений, позволяющие успешно находить смещенные флаги. Например:

1) при взбросовом характере нарушений и обнаружении плоскости сместителя, падающего в сторону проходки горной выработки (штрека), смещенное крыло следует искать за смесителем внизу по отношению к расположению выработки;

Направление проведения горной выработки

2. при наклоне сместителя в обратную сторону от выработки, смещенное крыло будет находится вверху от нее

3. для сбросовых нарушений при наклоне плоскости сместителя в сторону выработки, смещенный фланг следует искать вверху

4. при падении сместителя в противоположную сторону от нее – внизу

5. В плане на положение смещенных участков ПИ в результате сдвиговых процессов указывают «загибы» тела ПИ (правило правой руки)

При поисках смещенных крыльев большое значение имеет составление и использование детальных геолого-структурных карт, погоризонтных планов, гипсометрических планов кровли и почвы.

●Изучение трещиноватости имеет большое практическое значение при проведении горно-эксплуатационных работ. Результаты повсеместного изучения трещиноватости ГП позволяют:

1. прогнозировать тектонические нарушения;

2. прогнозировать выбросоопасные участки в угольных пластах (наблюдается связь выбросов с повышенной степенью трещиноватости углей и направлением сместителя разлома);

3. повысить производительность проходки горной выработки горными машинами (планировать совпадение ориентировки направления скалывающих усилий машин и направления трещиноватости);

4. обеспечить надежный крепеж горной выработки, поскольку от степени трещиноватости во многом зависит устойчивость кровли пласта.

При совпадении забоя с направлением основной системы трещин кровля менее устойчива, чем при перпендикулярном положении забоя к ориентировке трещин. Устойчивость горной выработки – способность ГП сопротивляться обрушению. Зависит она от физико-механических свойств, их текстур и структур, степени и характера нарушенности, величины и габаритов незакрепленной части выработки.

Наблюдение за трещиноватостью производят по ПИ и боковым ГП. Определяют количество трещин, углы падения и простирания каждой системы трещин, их форму, размеры, число трещин на единицу площади по простиранию и по падению пласта (залежи).

Линии простирания и падения основных трещин наносят на геолого-структурные карты, геологические планы и разрезы горных работ и обобщают в виде сводной карты трещиноватости.

Кровли пластов подразделяются на ложные, непосредственные и основные.

Ложная кровля – слои пород небольшой мощности (несколько см – 0,5м), находящиеся непосредственно над угольным пластом и обрушающиеся одновременно с выемкой угля.

Непосредственная кровля – толща пород, расположенная непосредственно над угольным пластом или над ложной кровлей и обрушающаяся вслед за удаление крепи.

Основная кровля – толща крепких устойчивых пород, залегающая над угольным пластом, непосредственной и ложной кровлями и периодически обрушающаяся после ее подработки на значительной площади.

●Направления гидрогеологических наблюдений:

1. определение степени обводненности вскрываемых водоносных горизонтов;

2. определение притоков воды в горные выработки;

3. установление наиболее обводненных участков вскрытой части рудного (шахтного) поля и прогноз обводненности на остальной площади;

4. определение мероприятий по осушению обводненных участков;

5. установление качественных характеристик вод вскрываемого горными выработками горизонта для обеспечения питьевого и технического водоснабжения шахт и рабочих поселков;

6. установление размеров охранных целиков при работах под водоемами или вблизи затопленных выработок.

Особое внимание обращается на изучение водоносности сильно трещиноватых, закарстованых и тектонически ослабленных зон дробления пород, так как с ними обычно связаны максимальная обводненность МПИ и опасные участки для прорыва вод в горные выработки. При приближении выработок к подземным волам и опасным зонам пробуривают опережающие скважины для обнаружения скопления воды и предотвращения возможного внезапного затопления.

Гидрогеологические наблюдения сопровождаются замерами поступления воды в отдельные выработки, эксплуатационные блоки, разрезы. Приток воды определяется путем замера воды в дренажных канавах и по производительности насоса.

В местах обильного капежа или вспучивания пород кровли или почвы на подземных работах производят более тщательное описание геологических условий залегания руд и ГП (трещиноватость, раздробленность пород) с проведением зарисовок и указанием интенсивности поступления воды.

Геофизические методы эксплуатационной разведки

Задачи:

●электроразведки – уточнение контуров выявленных рудных тел, для обнаружения «слепых», преимущественно сульфидных залежей, для выявления тектонически нарушенных зон и установления мощности покрова рыхлых отложений;

●магниторазведки – обнаружение новых рудных тел и оконтуривание при вскрышных работах разрабатываемых залежей, обладающих большей магнитной восприимчивостью в сравнении с вмещающими горными породами, а также уточнение геологической структуры рудного тела;

●гравиразведки – те же цели, что и у магниторазведки, только для рудных тел, обладающих избыточной плотностью

●радиоволнового просвечивания – регистрация приемником степени поглощения горными породами высокочастотных электромагнитных колебаний (радиоволн), излучаемых передатчиком;

● сейсмоакустического метода – прозвучивание горных пород между двумя подземными выработками, измерение амплитуды и скорости распространения упругих волн на этом участке.

Динамические явления в угольных шахтах.

Представляют собой результат давления жидкостей и газов, заключенных в горных породах, и проявления горного давления.

В.Е.Забигайло выделены явления:

●газовые – суфлярные выделения газа и внезапные выбросы его и угольной пыли (проявление давления газа);

●комбинированные – внезапные выбросы угля (породы) и газа (совместное проявление давления газа и горного давления);

●обусловленные проявлением горного давления – обрушения, высыпания, отжим и горные удары (проявления горного давления, гравитационных и тектонических сил).

В угленосных толщах содержатся, главным образом, газы CH₄, CO₂, N, примеси H₂, H₂S, тяжелые углеводородные газы этан, пропан, бутан, пентан, гексан.

CH₄ – метан, газ без цвета и запаха, горит при больших содержаниях в воздухе, в 2 раза легче воздуха. Воздушная смесь с содержанием CH₄ 0 - 5% сгорает без взрыва, с содержанием 5-6% – 14-16% взрывчатая (наиболее опасная концентрация 9,5%), с содержанием более 16% бурно горит. Содержание CH₄ возрастает глубиной (до 800-1000 м, далее const). Верхняя часть пластов природно дегазирована.

●Суфляр – газовыделение из видимых трещин с дебитом ≥ 1 м³/мин на частке горной выработки до 20м. Время действия – от нескольких часов до нескольких лет, дебит до 8000 м³/сут. Наименьшая глубина проявления от 20 до 45м совпадает с верхней границей зоны метановых газов или расположена ниже. С глубиной увеличивается количество суфлярных выделений и их интенсивность.

●Внезапные выбросы газа и угольной мелочи происходят в зонах тектонических нарушений или межплоскостных перемещений внутри угольных пластов, к которым приурочены трещиноватые малопрочные угли с высокими коллекторскими свойствами. В них под большим давлением накапливаются значительные объемы свободного газа. При вскрытии пласта горными выработками в течение 10-30с происходит сброс газового давления, слабосвязанные угли дробятся с последующим выносом в выработку. Внезапные выбросы сопровождаются сильным воздушным толчком, значительным выделением газа и образованием полости грушевидной формы (параметры выброса газа и угля на шх. им.Гагарина – 14 тыс. т угля, >250 тыс. м³ метана, отверстие площадью 5м², полость 100х148м).

Меры борьбы с газом:

- бурение опережающих дегазирующих скважин;

- вентиляция горных выработок;

- увлажнение выработок и закачка воды в угольный пласт;

- сланцевая защита.

●Внезапные выбросы угля и газа.

Причины их появления:

- напряженное состояние горного массива (горное давление);

- наличие газа;

- физические свойства, химический и петрографический состав угля.

Основными условиями возникновения выброса являются освобождение потенциальной энергии при внезапном разрушении угля, большая скорость разрушения массива, значительное давление газа. Количество выброшенного угля достигает сотен тонн. Скорость движения угля различна. Пустоты в зоне выброса имеют грушевидную, эллипсовидную, неправильную формы, имеют суженную горловину. Наблюдаются в зонах тектонических нарушений (небольших складок и разрывов с амплитудой 25-50м). Выбросоопасные угольные пласты характеризуются повышенной трещиноватостью, перемятостью, пониженными прочностными свойствами. В кровле и почве залегают прочные песчаники и аргиллиты. Выбросоопасны угли марок от Г до Т с выходом летучих 36-38%, весьма газонасыщенные (>10м³/т).

В угольных пластах определяющими выбросоопасность факторами являются: мощность, прочность, степень тектонической перемятости (соотношение суммарной мощности тектонически нарушенных пачек ко всей мощности угольного пласта в точке замера), строение, обводненность.

В Донбассе к выбросоопасным отнесены пласты угля с прочностью менее 1,96 усл.ед. по шкале Протодъяконова, интенсивно перемятые с газоносностью свыше 9м³/т суточной добычи, влажностью менее 4-6%.

При проведении взрывных работ сотрясение массива создает благоприятные условия для глубинного разрушения угольных пластов и образования трещиноватых опасных зон.

Методы борьбы:

- бурение опережающих дегазационных скважин;

- нагнетание воды в угольный пласт;

- увлажнение забоев и выработок;

- подработка и надработка угольных пластов (вначале разрабатываются выбросонеопасные угольные пласты, этим снимается напряжение горного массива и дегазируется толща).

●Выбросы породы и газа.

Возникают при наличии взрывного импульса, который к статическим нагрузкам вокруг выработки добавляет динамические.

Величина и характер деформаций определяются напряжениями (статическими и динамическими), интенсивностью ударной волны взрывного импульса, силой давления газа, петрографическим составом и особенностями залегания толщи. Наиболее опасны крылья и своды пологих небольших антиклиналей в тектонических блоках, ограниченных надвигами или флексурами, крупно- и среднезернистые кварцевые песчаники с кремнеземистым цементом, с высокой метаноносностью, в зоне развития углей с марками от Г до КС.

Чаще всего происходят из кровли горных выработок. Разрушенная горная масса - от 5т до 3,4 тыс. т, концентрация газа в выработке изменяется, как правило, от 2 до 6% (может достигать 50%). Минимальная глубина выбросов 700м, длина полости от 5 до 34м. С увеличением глубины разработки углей возрастают частота и сила выбросов.

Прогнозируются внезапные выбросы на стадии детального геологического изучения и доизучения шахтных полей.

Предвестники внезапных выбросов: значительное повышение акустической или сейсмоакустической активности массива; задержка отжима пласта и сближения боковых пород впереди движущегося забоя; шелушение и "стреляние" пород на поверхности выработки; увеличение интенсивности начального газовыделения и выхода штыба при бурении шпуров, деление выбуриваемых кернов на диски выпукло-вогнутой формы.

●Обрушения – сдвижение горных пород с отделением от массива кусков, глыб, блоков и др. Причинами их возникновения могут быть взрывы, длительное воздействие температуры, воды, выветривание, землетрясения, подземные толчки при выбросах.

●Высыпания угля наблюдаются на крутых угольных пластах с малой механической прочностью при проведении горных работ.

●Отжим – выдавливание угля в сторону выработанного пространства, сопровождающееся его постепенным разрушением и отслаиванием (может наблюдаться «горный выстрел»).

●Горные удары отмечены в рудных, угольных, соляных шахтах. Горный удар – быстро протекающее разрушение массива угля (породы), проявляющееся в виде значительного выброса горной массы в выработки с нарушением крепи, смещением и разрушением машин и оборудования, сопровождающееся грохотом, образованием большого количества пыли, воздушной волной и сотрясением массива. При этом уголь измельчается до пылеобразного состояния и разрушается краевая часть угольного пласта.

Масштабы горных ударов – от стреляния вмещающих пород и полезных ископаемых до масштабных разрушений, площадью в тысячи м².

Начальными признаками горного удара являются стреляние и толчки (удары внутреннего действия без выброса в горную выработку) в массиве, перерастающие в микроудары (незначительные разрушение и смещение угля, иногда сопровождающееся увеличением газоотделения) и собственно горные удары.

Oграничение силы проявления горных yдаров достигается применением проходческих комбайнов специальной конструкции, щитов, податливой или арочной металлической крепи, оптимизацией параметров буровзрывных работ, переходом на проведение горных выработок комбайнами, гидравлическим способом, взрывным способом в режиме сотрясательного взрывания; исключением особо опасных горных выработок из использования.