Тектоника шахтных полей. трещиноватость пород угленосной толщи

Тектоника шахтных полей и се значение для эксплуатации. Практика разработки угольных месторождений показывает, что большинство шахтных полей имеет нарушенное залегание уголь­ных пластов и вмещающих пород.

Детально тектоника шахтного поля выясняется в процессе детальной разведки, но вследствие редкой сети буровых разве­дочных скважин очень часто мелкие разрывы угольных пластов пропускаются и не фиксируются. Между тем известно, что тек­тоника шахтного поля во многих случаях является важнейшим геологическим фактором, определяющим горно-геологические условия разработки. Разрывная тектоника осложняет проведе­ние горно-эксплуатационных выработок, влияет па применение горных машин и механизированных комплексов, от нее зависит решение вопросов управления кровлей, вентиляции и водоот­лива. На тектонически нарушенных шахтных полях, как пра­вило, усложняется планирование горных работ, удорожается проходка подготовительных и возникает необходимость прове­дения дополнительных горных выработок, а также увеличива­ются общие потери угля в недрах при добыче.

Тектоника шахтного поля изучается на основе эксплуата­ционной разведки и документации эксплуатационных горных выработок с обобщением материалов наблюдений не только по данному шахтному полю, но и по смежным полям.

Главная цель детального изучения тектоники в процессе экс­плуатации месторождения сводится к тому, чтобы обеспечить рациональную и безопасную разработку нарушенных участков шахтного поля.

Складчатые и разрывные нарушения в залегании пласта угля. В условиях месторождений с нарушенным залеганием пла­стов изучение складчатых форм разрывных нарушений, приво­дящих к потере пластов в горных выработках и остановке ра­бот шахты, имеет особенное значение для шахтной геологиче­ской службы.

Наблюдения за условиями залегания пласта заключаются в систематических зарисовках, замерах углов падения и направ­лений простираний. При изменениях элементов залегания, раз­витии мелких складок и флексур количество пунктов наблюде­ний увеличивается.

Если в подземной горной выработке было встречено разрыв­ное нарушение пласта и после проходки плоскости смещения пласт пропал, а выработка врезалась в пустые породы, то не­обходимо прежде всего составить маркшейдерский план выра­ботки в крупном масштабе. Далее требуется провести тща­тельную геологическую документацию разрывного нарушения, составив зарисовки забоя, а также правой и левой стенок выра­ботки в масштабе 1: 50, замерить элементы залегания пласта и плоскости смещения (плоскости разрыва пласта), замерить, если возможно, азимут бороздок скольжения, мощность пласта и дру­гих пород, ширину тектонической зоны, амплитуду разрыва и др. Отыскание потерянного пласта угля на другой стороне нарушения проводится вначале по ряду геологических призна­ков: 1) циклическая направленность смены слоев в разрезе; 2) положение искомого пласта угля в стратиграфической ко­лонке угленосной толщи; 3) нормальное расстояние между пла­стами угля и маркирующими горизонтами; 4) типичные и специ­фические группировки пластов угля; 5) литологический состав кровли и почвы угольных пластов; 6) руководящие горизонты с фауной и флорой; 7) наличие размывов и горизонтов с про­слоями конгломератов; 8) мощность пласта угля; 9) строение пласта; 10) типичные для пласта минеральные включения; 11) особенности петрографического состава угольного пласта; 12) степень зольности и минеральные особенности золы; 13) сте­пень сернистости угля; 14) структурные особенности плоскости разрыва и угол ее наклона; 15) наличие и детали зеркал сколь­жения и направление штриховки. На рис. 86 показано, что штрек по пласту Ki находится в лежачем крыле нарушения, так как эта выработка подходит к плоскости смещения (тре­щина Т—Т) со стороны лежачего бока сместителя. Выработка встретила разрывное нарушение, прошла плоскость сместителя и врезалась в пустые породы висячего крыла нарушения, вслед­ствие чего и в том, и в другом случаях она была остановлена, так как угольный пласт пропал или, как говорят, пласт потерян. Где искать «потерянную», или смешанную часть угольного пласта в случаях, показанных на рис. 64, при совершенно ана­логичном литолого-стратиграфическом разрезе пород угленос­ной толщи в лежачем крыле? В забое штрека в точке D в первом случае был встречен контакт мергелей с известняком, а во втором случай в точке D был вскрыт пласт Кб, обычно залегающий ниже данного пла­ста Ki по разрезу (по вертикали на 7 м). Отсюда следует, что в первом случае показан сброс, так как потерянная часть пла­ста опустилась, и ее надо искать наклонной скважиной, направ­ленной вниз под углом наклона а; а во-втором — типичный взброс, и потерянную или смещенную часть угольного пласта надо искать вверху, т. е. следует бурить вертикальную разве­дочную скважину, направив ее из кровли штрека вверх, причем минимальная глубина этой скважины будет составлять 8—8,5 м.

Рис. 64. Поиски части угольного пласта, сме­щенной сбросом или взбросом, при одном и том же литолого-стратиграфическом разрезе по­род.

1— мергель; 2 — известняк;

3 — песчаник; 4 — глинистые сланцы

Если разведочные скважины, пробуренные из данной выра­ботки, подтвердят предполагаемое залегание смещенного пла­ста в висячем крыле (как это показано на рис. 64), то на основе маркшейдерских съемок и геологических наблюдений на марк­шейдерский план наносятся изогипсы почвы угольного пласта (висячего и лежачего крыла) и изогипсы плоскости смещения графическими методами, излагаемыми в курсе «Геометрия недр».

Трещиноватости пород угленосной толщи. Почти все вме­щающие уголь породы и ископаемые угли разбиты трещинами, которые изменяют их прочностные свойства.

Устойчивость кровли пород при подземной разработке угля, сдвижение пород над выработанным пространством и надеж­ность оставляемых охранных целиков под сооружениями по­верхности— все это связано с трещиноватостью массива горных пород и требует изучения и выяснения закономерностей прояв­ления трещин в породах угленосной толщи и в самих углях. Большое значение приобретает знание трещиноватости пород для оценки устойчивости бортов угольных карьеров, при оценке притоков подземных вод в горные выработки и организации предварительного осушения месторождения. Повышенная трещиноватость угля, как это теперь доказано, служит одной из причин внезапных выбросов угля и газа. Если при разработке угольных месторождений трещиноватость изучается детально, то она может быть использована для повышения производитель­ности труда (правильный выбор положения забоя лавы отно­сительно простирания господствующих систем трещин) и повы­шения техники безопасности.

Выделяются следующие генетические типы трещин: эндоген­ные; экзогенные, или тектонические; выветривания; горного давления.

Эндогенные трещины возникают вследствие изменения объема вещества, в связи с потерей воды и летучих веществ, в процессе диагенеза осадков. Такие трещины иногда называют диагенетическими, т. е. образованными за счет внутреннего из­менения вещества. Эндогенные трещины, наблюдающиеся в угольных пластах и во вмещающих породах, обычно распо­лагаются перпендикулярно к напластованию. В углях образу­ются, как правило, две системы. Одна из них, параллельная простиранию пластов, проявляется более отчетливо и называ­ется основной системой. Вторая система эндогенных трещин ей перпендикулярна и называется торцовой. Протяженность эндо­генных трещин ограничивается контактами литологических раз­ностей пород. Морфология и частота проявления трещин зави­сят от литологического состава и мощности слоев.

Экзогенные трещины образуются в толще пород в ре­зультате усилий, возникающих при тектонических процессах. Тектонические трещины имеют характер трещин отрыва и трещин скола. Наблюдается определенная связь ориентировки трещин относительно геометрических элементов складок. Экзо­генные трещины более отчетливо видны в породах и слабее в углях. Трещины проявляются в виде нескольких систем и рас­пространяются на значительные глубины. На поверхности самих трещин нередко наблюдаются зеркала и борозды скольжения, трещины обычно минерализованы. Экзогенные трещины часто сопровождают разрывные тектонические нарушения — в этом случае их называют трещинами оперения.

Трещины выветривания, или гипергенные трещины, возникают вследствие химического и физического выветрива­ния горных пород на поверхности Земли. Характерной особен­ностью их является неравномерное распределение и затухание на глубину (до 30 м). Часто трещины выветривания развива­ются по трещинам другого происхождения, расширяют послед­ние.

Трещины давления образуются в угольных пластах и породах в связи с проходкой горных выработок и производ­ством буро-взрывных работ. По своему характеру они являются трещинами отрыва. Поверхность трещин обычно неровная и без всякой минерализации. Трещины давления простираются чаще всего параллельно груди забоя и падают в сторону выработан­ного пространства. Эти трещины далеко в толщу пород и углей не распространяются.

Из существующих генетических классификаций наибольший интерес представляет классификация И. И. Аммосова и И. В. Еремина [2], в которой выделяются три типа трещин и дается характеристика их поверхностей. В геометрической классификации трещины систематизированы по их положению относительно простирания слоя осадочных пород: Л 2,3 — поперечные трещины, простирание которых перпендику­лярно к линии простирания пластов, причем среди поперечных трещин различают вертикальные — 2 и наклонные трещины 1 и 3; 4, 5 — продольные трещины, простирание которых парал­лельно простиранию слоев; эти трещины секут слоистость под разными углами наклона; 6, 7 — косые трещины, секущие сло­истость под острыми углами относительно простирания и паде­ния слоев; 8 — согласные трещины, совпадающие или парал­лельные слоистости осадочных пород.

Методы изучения трещиноватости. В зависимости от слож­ности тектонического строения шахтного поля места наблюде­ний должны представлять собой участки длиной 2—5 м, на ко­торых в выработке можно было бы сделать массовые замеры (от 20 до 100) трещин, примерно по 15—20 замеров по каждой выделяемой системе трещин.

Перед началом наблюдений участок выработки рекоменду­ется тщательно осмотреть с точки зрения безопасности работ и путем промеров произвести привязку участков наблюдений к опорным маркшейдерским точкам. После такого осмотра при­ступают к описанию трещин, замеряют их элементы залегания, составляют структурную колонку пласта (слоя) и производят зарисовку или фотографируют забой.

Замеры элементов залегания пласта и трещин производят горным компасом, угломерами или с помощью висячей буссоли.

При изучении трещин в выработках следует различать гене­тические типы трещин и, в частности, не смешивать эндоген­ные трещины с трещинами горного давления.

Важно замерить протяженность трещин отдельных систем, установить связь трещин с отдельными пачками угля и сло­ями вмещающих пород. Для изучения скрытых микротрещин берут образцы для последующих лабораторных исследований.

Описание трещиноватости угольного пласта в выработке проводят от почвы к кровле. При выделении систем трещин следует указывать основную и торцовую системы, а также ха­рактеризовать трещиноватость по напластованию.

На поверхности трещин иногда наблюдаются «зеркала скольжения». На этих «зеркалах» бывают видны поперечные отрывы в виде небольших уступов, поверхность «зеркала» имеет занозистый характер, и на ней можно (правда, не всегда) ус­тановить направление перемещения по данной трещине. Уста­новив это направление и зная простирание трещины, замеряют так называемый угол скольжения.

Материалы первичных наблюдений и замеров трещин под­лежат камеральной обработке. Эта обработка производится ста­тистическим и графическим методами.

При статистической обработке массовых замеров трещин получают количественные показатели трещиноватости, как, на­пример, средние элементы ориентировки трещин густота проявления трещин, протяженность, объем пустот и другие по­казатели. С этой целью составляют сводные таблицы трещин по отдельным участкам шахтного поля или по ряду шахт, отраба­тывающих один и тот же пласт. Систематика трещин в сводных таблицах может производиться по азимуту простирания углу падения и по другим показателям.

Систематическая обработка позволяет получить обобщен­ные показатели трещиноватости, которые характеризуют проч­ностные, деформационные, фильтрационные и другие свойства пород.

Важным показателем количественной оценки является коли­чество трещин, наблюдающихся на 1 м обнажения. Этот линей­ный показатель называют густотой трещиноватости, интен­сивностью, частотой, удельной трещиноватостью или моду­лем трещиноватости. Подсчет количества трещин в этом случае производится по нор­мали к плоскостям трещин. Средняя линейная густота (интенсивность) трещинова­тости: Г_и = N / L, где Ги —густота трещин; N — количество трещин в обнажении; L — длина обнажения, м.

График изменения частоты трещин в зависимости от их азимута простирания.

Иногда возможно густоту трещин (как расстояние по нор­мали между трещинами одной системы) замерить непосредст­венно в обнажении. Непосредственный замер Ги рекомендуется в тех случаях, когда трещины в обнажении (забое выработки) четко видны, самих трещин мало и расстояние между трещи­нами составляет 20—50 см.

Количество трещин N в обнажении зависит от условий за­легания трещин и ориентировки плоскости обнажения, поэтому необходимо замерять элементы залегания трещин и элементы залегания плоскости обнажения, в которой изучается трещиноватость.

При наличии нескольких систем учет трещин усложняется. В этом случае замеры трещин следует проводить отдельно для каждой системы. Наличие трех систем трещин в пласте обус­ловливает хорошо выраженную отдельность угля.

Наиболее распространенными способами графического отображения трещиноватости является составление: 1) графиков трещин в прямоугольных координатах; 2) различных видов кру­говых диаграмм; 3) карты трещиноватости; 4) блок-диаграмм трещин.

Рис. 65. График интен­сивности трещин и тре­щинной емкости вдоль выработки

Графики в прямоугольных координатах составляют по таб­лицам замеров. Для этого на одной оси прямоугольных коор­динат откладывают, например, азимут простирания трещин, а па другой — количество трещин. Пики на рисунке характеризуют господствующее простирание трещин. Построения графика интенсивности трещин и трещинной емкости (трещинная емкость —это относительный объем трещин, заключенных в 1 м3 породы) вдоль стенки выработки.

Рис 66. Лучевая диаг­рамма трещиноватости.

Такой график иногда позволяет увязать количественные показатели трещиноватости с литологическим составом пород.

Широкое применение получили круговые диаграммы.

Недостаток «розы» - диаграммы состоит в том, что на ней не отображается угол падения трещин. Для учета углов па­дения трещин используют лучевые диаграммы трещиноватости (рис. 66).

Однако лучевые диаграммы не дают полной количественной оценки трещиноватости, поэтому их часто заменяют точечными круговыми диаграммами.

Рис 67. Диаграмма эн­догенной трещиноватости угля на промышлен­ном участке

Для этого на заранее подготовлен­ную условную полярную сетку по азимутам простирания и уг­лам падения наносят отдельные трещины в виде точек (рис.67), где по внешней окружности отложены азимуты простирания трещин, а по радиусу, начиная от центра по окружности,— углы падения. В итоге каждая точка на диаграмме соответствует положению отдельной трещины. Концентрация точек в опреде­ленных участках диаграммы характеризует интенсивность трещиноватости, благодаря чему появляется возможность оконту­рить участки повышенной густоты трещин.

Желая показать распределение плотности трещин, строят круговые диаграммы в изолиниях, которые являются более сложными, чем точечные диаграммы.