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.
Таблица 7 | |||||||||
Типы трещин по генетическому признаку | Подтипы трещин | Факторы. вызвавшие образование трещин | Характер действующих напряжений при разрыве | Основные направления трещин по отношению к слоистости | Излом | Характер поверхности трещин | |||
по основной плоскости | по торцу | тангенциальный | |||||||
Эндогенные | Метаморфизм | Растяжение | Перпендикулярное (или почти перпендикулярное) | Ровный | Неровный, зубчатый, раковистый | Ступенчатый, черепичный, чешуйчатый | Однородная, глазковая, овально-глазковая, ленточная, табличная | ||
Экзогенные | Скалывания | Тектоника | Сжатие | Разнообразное (от 0 до 90°) | Разнообразный — от ровных гладких до неровных различно штриховатых и струйчатых | Зеркальная, штриховатая, волнистая | |||
Отрыва | Растяжение | Перпендикулярное (или почти перпендикулярное) | Неровный | Ступенчатый | |||||
Гипергенные | — | Выветривание | Растяжение | Разнообразное | Неровный | Неоднородная, бугорчатая | |||
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: Ги = 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.
Дата добавления: 2022-02-05; просмотров: 373;