Научный журнал

Успехи современного естествознания

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

• Авторы
• Резюме
• Рецензия
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Скоморошко Ю.Н. 1 Гриб Н.Н. 1 Кузнецов П.Ю. 1

---

1 Технический институт (филиал) ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова»

Представленные в статье исследования ориентированы на решение одной из актуальных проблем, возникающих при проектировании и строительстве горных предприятий по добыче полезных ископаемых – это достоверная оценка горно-геологические условий эксплуатации месторождения полезных ископаемых. Как показано в статье, наиболее оптимальное решение данной задачи достигается на детальной стадии геологоразведочных работ, предшествующей проектированию и строительству горного предприятия. Авторами на основании анализа теоретического и экспериментального материала установлено, что природная устойчивость углевмещающих пород зависит от следующих факторов: вещественный состав, прочностные свойств, глубина залегания, трещиноватость, обводненность, структурно-текстурные особенности, тектоническое строение, геокриологическая обстановка, условия залегания. Для прогнозирования поведения углевмещающих пород в горных выработках и их типизации с учетом выделенных факторов, авторами разработан комплексный параметр устойчивости, который является потенциальной характеристикой поведения пород в горном массиве при его разработке. На основании этого комплексного параметра произведена типизация горных пород Эльгинского каменноугольного месторождения по их устойчивости в горных выработках.

Рецензия № 1

968 KB

Рецензия № 2

130 KB

Статья в формате PDF

0 KB

Эльгинское месторождение

горная порода

устойчивость горных пород

горная выработка

горно-геологические условия месторождения

трещиноватость

геокриологические условия

сейсмичность

коэффициент текстурно-структурного ослабления

параметр устойчивости

1. Малинин С.И. Опыт составления карт прогноза природной устойчивости пород по разведочным данным (на примере Донбасса) / С. И. Малинин. – М.: ЦНИЭИуголь, 1969. – 58 с.

2. Применение математического аппарата Марковской нелинейной статистики для оценки трещиноватости углевмещающих пород по геофизическим данным / Н.Н. Гриб [и др.] // Горный журнал. – 2004. – № 8. – С.87–89.

3. Гриб Н.Н. Физико-механические свойства углевмещающих пород Южно-Якутского бассейна / Н.Н. Гриб, А.В. Самохин. – Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1999. – 240 с.

4. Оценка сейсмической опасности района строительства Эльгинского угольного комплекса на юге Якутии по комплексу геолого-геофизических данных / Н.Н. Гриб [и др.] // Вопросы инженерной сейсмологии. – 2014. – № 3. – C. 55–74.

5. Методическое руководство по изучению гидрогеологических и инженерно-геологических условий месторождений твердых полезных ископаемых. – М.: Недра, 1986. – 126 с.

6. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов и отвалов на разрезах / Г.Л. Фисенко, А.М. Мочалов. – М.: ЦНИЭИуголь, 1975. – 54 с.

Для проектирования и строительства новых шахт и карьеров требуются большие капиталовложения. Поэтому очень важно по разведочным данным достоверно оценить горно-геологические условия их эксплуатации и, в частности, поведение пород в будущих горных выработках.

На стадии детальной геологической разведки месторождения производятся инженерно-геологические исследования, детальность которых определяется сложностью ожидаемых инженерно-геологических условий месторождения. Одной из основных задач инженерно-геологических исследований является получение материалов, на основе которых выполняется прогнозирование устойчивости пород месторождений при вскрытии их карьерами или подземными горными выработками. А это, в свою очередь, позволяет предусмотреть предупреждающие и защитные мероприятия на стадии проектирования горных выработок.

Природная устойчивость пород зависит от ряда факторов: вещественного состава, прочностных свойств, глубины залегания, трещиноватости, обводненности, мощности пластовой отдельности, условий залегания и др. Исследования вещественного состава горных пород и их физико-механических свойств по образцам, отобранным при бурении разведочных скважин, позволяют спрогнозировать возможные условия устойчивости горных пород в горных выработках [1].

По особенностям тектонического строения, выдержанности угольных пластов и другим особенностям геологического строения Эльгинское месторождение по сложности, согласно классификации ГКЗ МПР РФ, относится ко 2 группе месторождений.

Породы Северо-Западного участка Эльгинского месторождения по инженерно-геологическим свойствам относятся к двум генетическим типам. К первому типу относятся четвертичные рыхлые образования, ко второму типу – коренные породы.

Большая неоднородность геокриологических условий является особенностью Эльгинского каменноугольного месторождения. Многолетнемерзлые породы Эльгинского месторождения, как и в целом по бассейну, имеют прерывистое по площади и сплошное по вертикали распространение. Их мощность колеблется от нескольких десятков до 200 метров.

Четвертичные отложения находятся в многолетнемерзлом состоянии, поэтому при разработке в зимнее время необходимо будет применять предварительное рыхление буровзрывным способом. Из четвертичных образований практический интерес при оценке инженерно-геологических условий представляют ледниковые отложения, которые характеризуются нулевым сцеплением, угол внутреннего трения для них составляет 22,5 град. Они развиты в юго-восточной части месторождения и по долинам рек и ручьев в юго-западной и северо-восточной его частях. Мощность ледниковых отложений в долинах рек по периферии месторождения колеблется от 5 до 35 м, в юго-западной части она достигает 50–90 м. При их сезонной оттайке, которая составляет 1,5–2 м, будет иметь место локальное сползание бортов карьера. Переход от четвертичных отложений к коренным породам, как правило, резкий.

Коренные породы разреза представлены переслаивающимися крупно-, средне-, мелкозернистыми песчаниками с редкими прослоями алевролитов, которые зачастую приурочены к кровле и почве угольных пластов. Мощность прослоев алевролитов и их объем значительно увеличивается в разрезе нерюнгриканской свиты, особенно ниже пласта Н15. Гравелиты в разрезе встречаются в виде линз и тонких прослоев и пользуются ограниченным распространением. Прослои туфопесчаников в разрезе отложений имеют подчиненное значение, и при анализе устойчивости пород в откосах бортов карьера они относились к соответствующим литотипам по гранулометрическому признаку. В кровле пласта Н16 залегает горизонт полимиктовых конгломератов мощностью от 15–20 до 30–40 м.

Анализ результатов определений физико-механических свойств пород позволяет отнести коренные углевмещающие породы ко 2-ой группе полускальных (средней прочности) горных пород.

На месторождении выявлено четыре крупно амплитудных нарушения: три сброса и один надвиг. Схема будущей отработки месторождения построена с учетом этих нарушений, таким образом, что их влияние на устойчивость рабочего борта карьера будет минимизировано.

Изучение интенсивности трещиноватости углевмещающих пород проводилось на всех стадиях разведки Эльгинского месторождения, в каждой геологоразведочной выработке. Кроме того, была проведена специальная инженерно-геологическая документация пород и углей по геологоразведочным скважинам и проанализирована степень трещиноватости пород на основе изучения полевой документации горных выработок [2].

На месторождении выявлено два типа трещин: трещины напластования, совпадающие со слоистостью (субгоризонтальные), заполненные органическим и глинистым веществом и тектонические трещины субвертикального направления, заполненные гидроокислами железа и карбонатными минералами. Что касается раздробленности пород, то количество столбиков керна, извлекаемого при бурении скважин на 1 пог. м увеличивается по мере приближения к зонам тектонических нарушений и иногда достигает 15–17.

Результаты изучения интенсивности трещиноватости массива и анизотропии приведены в табл. 1. Из приведенных данных следует, что наибольшая трещиноватость наблюдается в литологических слоях, сложенных алевролитами и мелкозернистыми песчаниками, а наименьшая – в слоях, сложенных крупнозернистыми песчаниками. Категория трещиноватости литологических слоев, сложенных конгломератами и гравелитами, оценена как слабая по аналогии с другими угольными месторождениями бассейна, так как из-за низкого выхода керна по конгломератам и гравелитам оценить их категорию трещиноватости, непосредственно по геологическому описанию, не представлялось возможным.

Таблица 1

Характеристика трещиноватости и коэффициента устойчивости вмещающих пород Эльгинского месторождения

Коэффициент анизотропии изучался на образцах кубической формы путем определения предела прочности на сжатие и замерам скорости прохождения упругих акустических волн вдоль и поперек напластования [3].

Анализ водоустойчивости и морозостойкости пород вскрыши позволяет рекомендовать использовать их большую часть (песчаники мелко-, средне- и крупнозернистые) для отсыпки дорог.

Для территории Эльгинского месторождения выполнено прогнозирование приращения сейсмических воздействий для площадки строительства горного предприятия [4]. В результате прямых инструментальных наблюдений и расчетов построены планы микросейсморайонирования по данным метода регистрации микросейсм и метода сейсмических жесткостей. По результатам исследований сейсмичность территории оценивается по уточненной исходной балльности площадки 7 баллов (по карте ОСР-97В для второй категории грунтов) степень сейсмической опасности площадки, для существующих на момент проведения изысканий грунтовых условий, оценивается в 6,87 балла (усредненный показатель). Это вызывает необходимость введения поправки при расчетах параметров борта будущего карьера в виде коэффициента запаса, учитывающего возможность возникновения сейсмических нагрузок. С учетом этого предельная высота уступов при прочих равных условиях снижается на 23 %.

Приведенные выше данные подтверждают установленные на других угольных месторождениях бассейна закономерности: интенсивность трещиноватости определяется в основном литологическим составом – чем больше крупность обломочного материала пород, тем меньше интенсивность трещиноватости массива, сложенного этой породой. Слоистость пород развита в алевролитах и в меньшей степени в песчаниках и чаще всего составляет от 1 до 5 слоев на 1 пог. м.

Все вышесказанное необходимо учесть при оценке пород по устойчивости в горных выработках при разработке Эльгинского угольного месторождения и их классификации по этому показателю.

Классификация по устойчивости основных литологических разностей пород в открытых горных выработках в соответствии с рекомендациями [5] производилась по коэффициенту устойчивости, рассчитанному по формуле

Ky = Kур•Kтр•Kа, (1)

где Kyр – коэффициент, учитывающий напряженное состояние горных пород в массиве; Kтр – коэффициент структурно-текстурного ослабления; Kа – коэффициент анизотропии.

Коэффициент, учитывающий напряженное состояние горных пород в массиве, определяется по формуле

(2)

где σ_сж – предел прочности при одноосном сжатии пород, Мпа; δ_пм – плотность пород, высушенных до постоянной массы, т/м3; Н – глубина залегания, м; g – ускорение силы тяжести, м/с2.

Коэффициент структурно-текстурного ослабления рассчитывается с учетом данных табл. 2 и исходя из выражения

Kтр = q•L, (3)

где q – показатель, определяемый по трещиноватости пород; L – показатель, определяемый по слоистости пород.

Таблица 2

Коэффициенты структурного и текстурного ослабления пород [6]

По коэффициенту устойчивости, согласно рекомендациям [1], породы делятся на весьма неустойчивые (Ky < 0,5), неустойчивые (Ky = 0,5 – 1), относительно устойчивые (Ky = 1 – 1,5), устойчивые (Ky = 1,5 – 2) и весьма устойчивые (Ky > 2). В результате выполненных расчетов все породы, за исключением конгломератов, характеризуются устойчивым состоянием, конгломераты – относительно устойчивым состоянием.

Известно, что величина сцепления горных пород в массиве меньше величины сцепления определенной на монолитных образцах породы. Величина коэффициента структурного ослабления определяется согласно эмпирической зависимости, установленной Г.Л. Фисенко [6]:

(3)

На рис. 1 приведены графики коэффициента структурного ослабления в зависимости от мощности вышележащей толщи (Н) для разных литотипов горных пород Эльгинского месторождения, построенные по результатам расчетов по формуле (4).

Определение величины сцепления горных пород в массиве (Cм) производится по формуле

Cм = λ•C_о, (5)

где Cо – величины сцепления горных пород в образце.

Рис. 1. Коэффициент структурного ослабления физико-механических свойств горных пород в массиве

В результате проведенных исследований и анализа фактического материала полученного при разведке Эльгинского каменноугольного месторождения, авторами был сделан вывод о том, что оценку устойчивости основных литотипов пород месторождения необходимо производить с использованием коэффициента структурного ослабления, рассчитанного по формуле (4), которая включает в себя мощность вышележащей толщи пород.

Авторами предлагается типизацию горных пород Эльгинского месторождения производить по параметру устойчивости, который, для основных литотипов, рассчитывается по формуле

(6)

где λ – коэффициент структурного ослабления рассчитанный по формуле (4); δ_ср – средневзвешенная плотность горных пород месторождения.

В табл. 3 представлена типизация горных пород Эльгинского месторождения по устойчивости их в горных выработках, согласно [1] классификации пород по устойчивости.

Необходимо отметить, что основные литологические типы пород в зависимости от глубины их залегания характеризуются различной степенью устойчивости (рис. 2).

Таблица 3

Типизация пород Эльгинского месторождения по устойчивости их в горных выработках

Рис. 2. Зависимость параметра устойчивости литотипов горных пород от глубины залегания

Таким образом, параметр устойчивости Пу можно считать потенциальной характеристикой поведения литологического типа породы в горной выработке и предусматривать при проектировании горных выработок мероприятия по обеспечению их устойчивости в процессе отработки.

Библиографическая ссылка