Инженерно-геологическое обеспечение разработки глубоких угольных горизонтов Восточного Донбасса Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© В.В. Фромм, В.А. Ермолов, Т.В. Тищенко, 2004

УДК 550.8

В.В. Фромм, В.А. Ермолов, Т.В. Тищенко

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАЗРАБОТКИ ГЛУБОКИХ УГОЛЬНЫХ ГОРИЗОНТОВ ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА

Семинар № 1

риоритетная роль в решении про-

ж. Л. мышленной безопасности глубоких горизонтов угольных месторождений Восточного Донбасса принадлежит инженерно - геологическому обеспечению, предусматривающему оптимизацию технологических схем очистных и подготовительных работ на основе достоверной информации о строении и состоянии углепородных массивов. В этой связи оценка инженерно-геологической безопасности глубоких горизонтов угольных месторождений является актуальной научно - практической задачей.

В Восточном Донбассе промышленная угленосность приурочена к пяти верхним свитам

среднего карбона (С - С72), содержит угли технологических марок от «Д» (длиннопламенных) до «А» (антрацитов), что объясняется процессами регионального метаморфизма.

Среди углей антрациты составляют около 87 %, коксующиеся угли примерно 4-5 %. Угли особо ценных марок «КЖ» (коксово-жирные), «К» (коксовые) и «ОС» (отощенные спекающиеся) составляют более 80 % от запасов коксующихся углей.

На основании петрографического изучения пород Донбасса для инженерно-геологических целей нами предложена схема изучения вторичных изменений углевмещающих пород Восточного Донбасса для начального, умеренного, глубинного катагенеза и раннего метаморфизма.

Для выявления закономерностей и характера изменений различных показателей физикомеханических свойств пород угленосного карбона на территории рассматриваемого района в зависимости от степени метаморфизма углей, стратиграфической и современной глубины залегания построены различные графики (рис. 1, 2). На приведенных графиках отмечается до-

вольно быстрый рост показателей прочности пород от зоны длиннопламенных углей через газовые к жирным углям, а затем на более высоких стадиях метаморфизма углей эти показатели растут более медленно и без резких скачков. Изменение твердости песчаников и известняков с ростом метаморфизма происходит весьма неравномерно со значительными колебаниями в зонах распространения углей «Ж», «К», «ОС» с последующим плавным снижением твердости.

По разрезу угленосной толщи также проводились сопоставления показателей физикомеханических свойств пород в районах распространения углей марочного состава «Д», «Г», «Ж», «К», «ОС», «Т», «А». Анализировались

г^5 /'■'»7

аргиллиты и песчаники свит С2, С2 и С2 среднего карбона. Средние значения объемного веса, пределов прочности при сжатии и

разрыве, а также твердости этих пород увеличиваются в направлении от районов распространения наименее метаморфизованных длиннопламенных углей «Д» к высокомета-морфизованным антрацитам «А», а значения пористости и коэффициент пластичности в том же направлении уменьшается, что отражает различную степень преобразования угленосных отложений. В частности было установлено, что изменение средних значений показателей физико-механических свойств как глинистых, так и обломочных пород в процессе метаморфизма углей происходит неравномерно и с разной интенсивностью. Оно наиболее резко проявляется на рубеже марок «Д» и «Г», а также в зоне распространения коксовых углей. При этом на низких стадиях метаморфизма углей наибольшему изменению подвергаются значения общей пористости, прочности на сжатие и твердости углевмещающих пород, а на

погнстость. и

средних и высоких стадиях - показатели прочности на растяжение.

Кроме того, установлены закономерности изменения физико-механических свойств пород с глубиной вне зоны выветривания. В частности получены уравнения регрессии, указывающие на взаимосвязь между различными свойствами пород и геологическими факторами. При этом доказано, что интенсивность изменений свойств пород для каждой литологической разности в основном зависит от современной глубины залегания и степени вторичных изменений.

Изменение физико-механических свойств с возрастанием метаморфизма происходит неравномерно. Так, на начальной стадии метаморфизма (в интервалах углей марок «Д» -«К») прочностные характеристики возрастают с глубиной также и за счет катагенетических изменений, проявляющихся, главным образом, в уплотнении материала. На более высоких стадиях катагенеза и начального метаморфизма это явление менее значительное. Чтобы иметь представление о количественном влиянии одновременно глубины залегания и вторичных изменений пород на физико-механические свойства был проведен множественный корреляционно - регрессионный анализ. Результаты исследований показывают, что между прочностью на сжатие (асж, МПа), прочностью на растяжение параллельно слоистости (ар^, МПа), глубиной (Н, м) и метаморфизмом (М, баллы)

Рис. 1. График изменения пористости пород в зависимости от степени катагенетических изменений

получены тесные корреляционные связи. Между прочностью на растяжение перпендикулярно слоистости (ар , МПа), скоростью ультразвуковых волн параллельно (¥р^, мм/мксек) и перпендикулярно слоистости (¥р\ мм/мксек), глубиной и метаморфизмом установлены менее тесные корреляционные связи. Анализ полученных результатов показывает, что на физико-механические свойства пород оказывают влияние и глубина, и метаморфизм (табл. 2).

Установлено, что стратиграфическая глубина оказывает влияние на изменение физикомеханических свойств пород лишь на участках

распространения углей низкой метаморфи-зации - «Д» и «Г». В районах распространения углей средней и высокой метаморфизации стратиграфическая глубина особого влияния не имеет, так как по всем стратиграфическим горизонтам углевмещающие породы имеют одинаковую степень вторичных изменений. По всему же разрезу угленосной толщи при наличии нескольких типоморфных разностей изменения свойств пород с глубиной, в частности прочностью, описываются нелинейными уравнениями регрессии. Инженерно-геологическая оценка глубоких горизонтов угольных месторождений немыслима без изучения деформационных свойств, отражающих их поведение при мгновенной и длительной нагрузке.

Особое значение при исследовании деформационных свойств имеет оценка реологических показателей пород, что наглядно выражается в росте сдвижений в горных выработках. Анализ данных реологических свойств показывает, что величина параметров ползучести зависит от литологической принадлежности, глубины залегания и степени вторичных изменений в горных породах.

По результатам проведенных исследований установлена различная склонность пород к проявлению свойств ползучести. При этом выделяется два характерных периода деформирования: первый период характеризуется интенсивным протеканием деформаций - неустано-вившаяся ползучесть, но с затуханием скорости деформирования; второй - стабилизацией процесса деформирования - установившаяся ползучесть. Продолжительность каждого периода деформирования, а также величина деформаций ползучести определяются структурнотекстурными особенностями пород, их физиче-

ским состоянием и величиной прикладываемой нагрузки. Было установлено, что период неус-тановившейся ползучести, как для аргиллитов, так и алевролитов изменяется в больших пределах. Для большинства испытанных образцов аргиллитов продолжительность первого периода деформирования изменялась от 100 до 250 ч. Вместе с тем в некоторых образцах аргиллитов участков распространения углей марки «Д» период интенсивного развития деформаций был продолжительным и составлял 24-40 час, а период неустановившейся ползучести для алевролитов - около 5 суток.

Во всех литологических разностях пород установлено два периода деформирования: с интенсивным протеканием деформаций - неус-тановившаяся ползучесть; со стабилизацией процесса деформирования - установившаяся ползучесть, которые зависят от литологической принадлежности и глубины залегания пород. Изменение физико-механических свойств пород с глубиной находится в прямой зависимости от степени метаморфизма углей и, как правило, носит постоянный характер. В районах распространения углей марки «Д» и «Г» прочность пород с глубиной увеличивается очень интенсивно, составляя на каждые 100 м глубины 15-20 %. По мере возрастания степени метаморфизма углей изменение физико-

механических свойств пород с глубиной уменьшается и практически не происходит при переходе к углям марки «А».

В зависимости от назначения и состава решаемых горнотехнических задач, количества и качества геологической, инженерно-

геологической и гидрогеологической информации, полученной при разведке и эксплуатации месторождений и характеризующей геологическую среду, рассмотрены региональный и локальный уровни прогнозирования. Такой подход при прогнозировании позволяет учесть широкий спектр возможных изменений геологической среды. Каждый уровень прогнозирования включает ретроспекцию, диагноз и сам прогноз устойчивости горных пород, при которых развиваются инженерно-геологические процессы.

На основе регионального прогнозирования установлено, что изучаемый район может быть условно разделен на четыре основных участка по прочностным и деформационным свойствам углевмещающих пород. Эти участки также характеризуются и различной степенью метаморфизма пород и марочным составом углей.

Локальный уровень прогнозной оценки инженерно-геологических условий направлен на количественную оценку, как отдельных показателей свойств, так и комплекса геологических факторов, влияющих на их формирование. Для этого использовался метод инженерно-геологического анализа, который базируется на применении факторного и корреляционного анализа.

Для инженерно-геологических условий глубоких горизонтов угольных месторождений Восточного Донбасса на основании метода главных компонент определены нагрузки на собственные вектора (главные компоненты). Первые два собственных вектора обусловливают 92,5 % дисперсии изучаемого множества данных (асж, - прочность пород на сжатие; д -показатель структурного ослабления; Ь - показатель текстурного ослабления; у - плотность; Н - глубина; А - показатель анизотропии; Т -трещиноватость; Л - литологический состав). Первый вектор, представляющий 55,3 % общей дисперсии, дает наибольшие вклады в переменные - асж, у и Н, а второй - представляющий 47,2 % дисперсии - в переменные д, Ь, А. Таким образом, первая главная компонента характеризует напряженное состояние пород, а вторая - его геологическое строение. Необходимо также отметить, что на третий собственный вектор приходится 7,5 % общей дисперсии, причем, наибольший вклад приходится на трещиноватость.

При анализе различных процессов наряду с решением вопроса об уменьшении числа существенно влияющих факторов, также устанавливалась связь между основными геологическими факторами и геоиндикатором устойчивости пород. Под геоиндикатором устойчивости понимается интегрированный показатель, характеризующий способность пород сопротивляться без искусственного закрепления проявлениям различных процессов и явлений в горных выработках и отражающий взаимосвязь изменчивости системообразующих инженерногеологических факторов, обусловливающих напряженное состояние массива горных пород. При этом модель устойчивости пород в общем виде представлена зависимостью:

К0) = / (осж,д, Ь, у, А, Н); (1)

где К - геоиндикатор устойчивости; і - вариант по кровле или почве угольного пласта; асж -прочность пород на сжатие, кг/см2; д- показатель структурного ослабления; Ь - показатель текстурного ослабления; у - плотность, г/см3;

Корреляционная связь между физико-механическими свойствами пород, степеньюктаенеза и глубинойюзмлы «иялнти

Рис. 2. Влияние состава пород на их ко-механические свойства

Н - глубина, м; А - показатель анизотропии инженерно-геологи-ческих свойств.

После обработки информации было установлено, что устойчивость пород зависит, прежде всего, от литологического состава, слоистости, трещиноватости, прочности на сжатие и глубины залегания. По полученным взаимоотношениям устанавливалась зависимость геоиндикатора устойчивости пород кровли или почвы угольных пластов Донбасса. Коэффициенты структурного и текстурного ослабления получены экспериментальным путем.

По результатам шахтных наблюдений и обработки полученной информации установлена зависимость граничных условий устойчивости боковых пород Восточного Донбасса, выражаемой геоиндикатором устойчивости пород в горных выработках, что позволяет оценивать граничные условия поведения пород на глубоких горизонтах угольных месторождений:

I. В кровле горных выработок:

1. Весьма устойчивые породы (К > 2,0 -

2,5 и более) - отсутствует разрушение пород от геостатического давления и технологических причин; выработка сохраняет форму и размеры в течение всего срока службы;

2. Устойчивые породы (К = 1,5 - 2,0) -локальное развитие зон разрушения от геоста-тического давления и возникновения технологической трещиноватости; в выработке проявляется незначительное смещение пород, а ее формы и размеры сохраняются в течение длительного срока службы, как правило, более двух лет;

3. Относительно устойчивые породы (К = 1,0 - 1,5) - незначительное общее развитие зон разрушения характеризуется средними величинами деформирования пород и небольшими нагрузками на крепь, затухающими во времени; возможно образование значительных зон вывалов кровли выработок в трещиноватых породах;

4. Неустойчивые породы (К = 1,0 - 0,5) -существенное развитие

зон неупругого деформирования и разрушения, значительные величины деформирования пород, большие нагрузки на крепь, слабо затухающие или затухающие во времени;

5. Весьма неустойчивые (К < 0,5) -весьма существенное развитие зон неупругого деформирования и разрушения пород, значительные нагрузки на крепь, развивающиеся в течение длительного времени, часто в течение всего срока службы выработки.

II. В почве горных выработок:

1. Весьма устойчивые породы (К > 2,0 -

2,5), пучение которых не происходит;

2. Устойчивые породы (К = 1,5 - 2,0) -пучение не превышает 0,1 м;

3. Относительно устойчивые породы (К = 1,0 -1,5) - пучение составляет 0,3-0,5 м;

4. Неустойчивые породы (К = 0,5 -1,0) - пучение составляет 0,5-1,0 м;

5. Весьма неустойчивые породы (К < 0,5) - пучение более 1,0 м, часто в течение 4-6 мес. запечатывается полностью выработка.

На основании анализа инструментальных наблюдений и использования аналитических методов установлено влияние различных геологических факторов на величину смещения контура выработки. Для этого рекомендуется использовать отношение:

Ж

(2)

°сж Ч1

где у - плотность пород, г/см3; Н - глубина заложения выработки, м; (гсж - прочность на

сжатие, кг/см2; д - коэффициент структурного ослабления; Ь - коэффициент текстурного ослабления.

Отсюда величина смещения (и) пород в кровле (ик), почве (и„) и с боков (иб) выработки определяется уравнениями:

ик.п = 0,01 4ьй (К] Ж_________- А); (3)

&сЖ. чЬ

иб, = 0,01 4ън (К2 х х н _____ - В); (4)

°сж. Ф

где А, В, К1, К2 - эмпирические коэффициенты; Ь, Н - ширина и высота проектируемой выработки.

1. Методические рекомендации по геоэкологическому изучению угольных месторождений при разведке. - М.: МПР РФ, 1999. - 40 с.

2. Угольная база России. Угольные бассейны и месторождения Европейской части России. т.1/Под ред. В.Ф. Череповского. - М.: 2000. - 474 с.

Анализ и оценка инженерно-геоло-

гической информации, полученной по шахтам и разведочным скважинам, позволили выбрать стратегию построения комплексной мониторинговой системы для обеспечения непрерывного отслеживания динамики инженерногеологических явлений и процессов, а также создать информационную основу для прогнозной оценки инженерно-геологической безопасности подземного пространства. Важной особенностью построения комплексной мониторинговой системы контроля и прогнозирования процессов, происходящих в углевмещающих массивах, является синтезирование в единое целое результатов шахтных и скважинных измерений, а также аналитических расчетов.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Фромм В.В. Опыт создания единого геоэко-

мониторинга в угледобывающих регионах Донбасса. -М.: Геология и разведка. 1998, № 6.

Коротко об авторах

Фромм В.В. — профессор, доктор геолого-минералогических наук, Ермолов Валерий Александрович — профессор, доктор технических наук, Тищенко Т.В. —

Московский государственный горный университет.