CC BY
19
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА ИМЕНИ С. М. ¡КИРОВА
Том 252 1975
О МЕТОДАХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ БУРОУГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИИ
СИБИРИ
Ф. П. НИФАНТОВ, В. Н. ПУЛЯЕВ (Представлена научным семинаром кафедры гидрогеологии и инженерной геологии)
Задачи и этапы исследований
Сибирь богата бурыми углями. Лишь в КанокоАчиеском бассейне открыто и разведано более десяти крупных месторождений с мощными пластами бурого угля. Простое геологическое строение и слабая литификация вмещающих пород предопределяют; широкое развитие открытого ¡способа разработки углей ¡карьерами производительностью до 30—60 млн. т. )в год. Столь -крупные (карьеры прежде всего проектируется заложить на Березовском, Итатсшм, Абанском -и Назаровском месторождениях, где >в последние годы кафедрой гидрогеологии и инженерной геологии Томского политехнического института выполняются .исследования по выяснению инженерно-геологических условий, одновременно разрабатывается методика этих исследований и прогнозирования устойчивости пород в бортах карьеров [1—9].
В процессе работ мы пришли к убеждению, что инженерно-геоло-гичеокие исследования месторождений рационально начинать на стадии предварительной разведки и продолжать, включая период работы карьеров. В связи с этим общий цикл исследований можно разделить на четыре стадии: инженерно-геологические работы на стадии предварительной разведки; то же на стадии детальной разведки; исследования в период составления технического проекта и рабочих чертежей; исследования и наблюдения при строительстве и эксплуатации карьеров.
На первом этапе инженерно-геологические работы проводятся в комплексе с разведкой и должны выполняться, главным образом, геологическими партиями и экспедиция-ми. В этом случае одновременно с выяснением геологического строения, подсчетом запасав и оценкой качества полезного ископаемого исследуются условия вскрытия месторождения с целью получения материалов, необходимых для составления проекта полного освоения и районирования месторождения. Намечаются наиболее благоприятные участки для постановки детальной разведки, детальных инженерно-геологических исследований и первоочередной разработки. Одновременно указываются площади для строительства города, заводов, тепловых станций, дорог, и рекомендуются источники водоснабжения.
На стадии детальной разведки выясняются инженерно-геологические условия строительства первых карьеров и проводится оценка устойчивости пород, которые окажутся в сферах действия данных карьеров. С этой целью всесторонне и детально исследуются геологи-
ческое строение, йодоносность Н свойства порол участках^ выбранных для заложения карьеров. Окончательно разрабатывается инженерно-1-еологическая классификация пород, устанавливается их изменчивость, определяются обобщенные показатели и производится предварительная оценка общей устойчивости.
На стадии проектирования карьеров выясняется и оценивается устойчивость бортов, уступов, внешних и внутренних отвалов и решаются другие вопросы. Исследования на этой стадии проводятся проектными организациями по специальным программам с учетом принятого метода вскрытия пластов и сложности участка.
В период работы карьеров, главным образом, ведутся стационарные наблюдения за водопритоками, дренажем подземных вод и степенью разупрочнения пород в сфере действия каждого карьера. Следует считать, что все общие вощросы по прогнозированию инженерно-геологических условий вскрытия месторождений должны решаться на первых двух стадиях разведки.
Методы исследований
¡В зависимости от задач стадии разведки, размеров и сложности месторождений исследования проводятся с разной детальностью и включают: инженерно-геологическую съемку, инженерно-геологическое опробование пород по опорным разведочным выработкам, лабораторные работы, стационарные наблюдения за режимом водоносных горизонтов и развитием современных физико-геологических явлений.
Инженерно-геологическая съемка обычно проводится на стадии предварительной разведки на площади в 1,5—2 раза большей размеров месторождения. Во время этих работ выполняется геологическое, гидрогеологическое и инженерно-геологическое картирование в масштабах 1:25 000 или 1:50 000. Особенное внимание уделяется изучению структуры месторождения, литологии и водоносности пород, форм рельефа и физико-геологических явлений. При описании рельефа выделяются геоморфологические элементы исследуемой территории и выясняется связь современных форм рельефа с процессами эрозии и аккумуляции, с зонами выгорания угля, обрушением пород и другими факторами. Одновременно определяется крутизна склонов, в том числе за пределами месторождения. Особенно детально обследуются действующие карьеры, где выясняют способ разработки, высоту и наклон откосов и уступов, поведение парод в рабочих и нерабочих бортах, влияние воды на устойчивость пород и т. д.
Прочность отдельных типов пород в процессе съемки оценивается микропенетрацией, -путем описания состава и свойств. На участках наиболее неустойчивых склонов и бортов карьеров отбирают монолиты и определяют основные свойства пород.
Опробование горных пород производится, главным образом, по инженерно-геологическим скважинам, совмещенным с разведочными. Частота, глубина и диаметр выработок зависит от этапа, целей исследований и сложности месторождения. Расстояние между опорными ин-женерно-геологическими разрезами на стадии предварительной разведки для крупных месторождений принимается нами не более 2—3 км, с тем, чтобы два или три разреза оказались в пределах каждого намечаемого карьерного поля.
На стадии детальной разведки расстояние между опорными разрезами принималось 1—2 км, и скважины по разрезу закладываются через 0,3—0,4 км.
Скважины бурятся диаметром не менее 80—90 мм с промывкой
глинистым раствором. Буровые станки снабжаются аппаратурой типа ИРБ-5, с целью замера скорости проходки, давления на забой, что позволяет оценивать прочность пород. Кроме этого, проводится детальное опробование свойств пород и водоносных горизонтов с применением микропенетрации, каротажа, наблюдений за выходом керна и за потерей промывочной жидкости. Такое детальное опробование наряду со съемкой позволяет быстро и без больших затрат выяснять общие инженерно-геологические условия вскрытия месторождений.
По данным описаний буримости и микропенетрации непосредственно в иоле выделяются инженерно-теолошческие виды пород, что позволяет уменьшать количество отбираемых монолитов. Микропене-трация ведется простыми ручными микропенетрометрами [8], и сцепление полускальных пород в этом случае рассчитывается по формуле
С = 9,81g Rm—2,62, где С—сцепление пород, т/м2;
Rm— удельное сопротивление микропенетрации, т/м2.
Радиоактивный и электрический каротаж проводится во всех инженерно-геологических скважинах. По полученным кривым достаточно хорошо выясняется плотность пород, вычисляемая по формуле:
Д = 2,52-1,3-^,
где — интенсивность рассеянного гама-излучения; — интенсивность натурального фона.
Данные микропенетрации и геофизических наблюдений проверяются путем исследования свойств пород в полевой и стационарной инженерно-геологических лабораториях, для чего из керна через 5—8 м отбираются монолиты характерных пород. Установлено, что 50—60% лабораторных определений следует проводить в полевых лабораториях, где определяют объемный вес, влажность, размокание, сопротивление микропенетрации и для слабых пород—-сопротивление сдвигу.
В стационарных лабораториях наряду с перечисленными характеристиками определяются удельный вес, временное сопротивление раздавливанию и разрыву, состав, набухание и микроструктура каждого инженерно-геологического вида. Здесь наибольшее внимание уделяется исследованию сопротивления сдвигу, особенно слабых пород. Учитывая условия, в которых окажется та или иная порода в бортах намечаемых карьеров, испытания на сдвиг по каждому монолиту проводятся при соответствующих нагрузках и влажностях. Сдвиги направляются по плоскости наслоения, по нормальным или ослабленным микрозонам, с учетом развития предполагаемых поверхностей скольжения. Большое внимание уделяется также предварительному исследованию нарушенных пород, что необходимо для расчета устойчивости отвалов. Временное сопротивление раздавливанию пород выясняется по тем же монолитам с применением методики, разработанной в институте имени А. А. Скочинского. Такого характера исследования свойств пород следует выполнять по всем месторождениям твердых полезных ископаемых, находящихся в стадии предварительной и детальной разведки.
Обработка материалов
Материалы исследований, полученные на первых двух стадиях, обрабатываются по следующему плану:
1. Анализируются и обрабатываются данные по общим инженерно-геологическим условиям (рельефу, климату, гидрографии, геологии, гидрогеологии и современным геодинамическим процессам). Состав-
б Заказ 5173
81
ляются необходимые рисунки* таблицы, графики, разрезы, карты. Вырабатываются основные положения о развитии и влиянии каждого фактора на разработку месторождения.
2. Составляется инженерно-геологическая .классификация пород месторождения. В соответствии с ней производится описание свойств пород по каждому инженерно-геологическому виду одновременно, с применением одного из методов статистики; определяются обобщенные показатели [6].
3. Составляются инженерно-геологические разрезы и инженерно-геологическая карта, позволяющая провести районирование месторождения по инженерно-геологическим условиям разработки. В результате, с учетом геолого-экономических данных, выделяются наиболее благоприятные участки для строительства первых карьеров.
4. Ориентировочно определяются расчетные показатели основных свойств пород и проводятся предварительные расчеты общей устойчивости бортов по опорным инженерно-геологическим линиям, что выполняется, главным образом, на стадии детальной разведки и в период проектирования карьеров.
5. На основании всех материалов, полученных в процессе исследований и обработки, составляется инженерно-геологический отчет по месторождению, а в случае детальной разведки — по участку намечаемого карьера. В отчет включаются следующие основные разделы: цель и этап исследований, программа, объемы работ и методика исследований, влияние инженерно-геологических условий на разработку месторождения, инженерно-геологическая классификация и характеристика пород и углей месторождения, природа прочности пород месторождения, анализ устойчивости бортов действующих карьеров, работающих в аналогичных условиях, районирование месторождения по инженерно-геологическим условиям, выбор расчетных показателей, прогноз устойчивости пород и сферах действия проектируемых карьеров.
Таким образом, во время разведки следует достаточно полно изучать инженерно-геологические условия месторождений, что позволяет правильно проектировать крупные карьеры, прогнозировать условия разработки угольных пластов и избегать аварий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ф. П. Инфантов. Основные направления инженерно-геологических исследований угольных месторождений Сибири. — В сб.: Вопросы методики инженерно-ге-ологических исследований. Т. 2, Изд. ТГУ, Томск, 1967.
2. Ф. П. H и ф а н т о в. Некоторые вопросы инженерно-геологических исследований буроугольных месторождений Канско-Ачинского бассейна. — В сб.: Материалы по геол. и полезным ископаемым Зап. Сиб. Изд. ТГУ, Томок, 1964.
3. Ф. П. Нифантов, В. И. И у л я е в, Е. А. Писарев. Инженерно-геологические условия разработки некоторых б\ро\тольных месторождений Забайкалья. Тр. ТИСИ, изд. ТГУ, 1969.
4. Ф. П. Нифантов, В. Е. О л ь х о в а т е н к о, Е. А. Писарев. Инженерно-геологическая характеристика Итатокого буроугольного месторождения. Сб. научных трудов ТИСИ. Т. ХП, изд. ТГУ, Томск, 1967.
5. Ф. П. Нифантов, В. Н. Пуляев. Инженерно-геологические условия Уроп-ской площади Березовского буроугольного месторождения. «Известия ТЛИ». Т. 185, Изд. ТГУ, Томск, 1971.
6. Е. А. Писарев. К вопросу методики статистической обработки показателей ннженерно^геологичееких свойств пород. Труды Томского инженерно-строительного института. Томск, 1967.
7. В. Н. Пуляев, Е. А. Писарев. К вопросу о пространственной изменчивости свойств горных пород. «Известия ТЛИ». Т. 196, 1969.
'8. В. Н. Пуляев, В. В. Кравченко, Ю. С. К а з а з а е в. Метод п результаты исследований полускальных пород микропенетрометром. «Изв. ТПИ». Т. 201, Изд. TFy, Томск, 107,1.
9. В. Е. О л ь х о в а т е и к о, В. Н. П у л я е в. Исследование сопротивления сдвигу некоторых типов пород Итатского буроугольного месторождения. «Изв. ТПИ». Т. 151, Изд. ТГУ, Томск, 1966.
