5.3 Классификация месторождений угля по горно-геологическим условиям
По сложности горно-геологических условий месторождения разделены на четыре группы (типа): I - простые, II - средние, III сложные, IV – весьма сложные.
Выделенные группы соответствуют четырем основным стадиям литогенеза и метаморфизма угленосных пород: I группа - буроугольной, II группа – переходной от буроугольной к каменноугольной, III группа - каменноугольной, IV группа – графитовой.
Каждая из групп месторождений разделена на три подгруппы – А, Б и В, отличающиеся строением, морфологией угольных пластов, инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями, а III группа – условиями залегания пластов. Сложность горно-геологических условий возрастает от подгруппы А к подгруппе В.
В Донбассе предложено подразделять территорию по условиям вскрытия и разработки шахтных полей по: 1) условиям проведения горных работ в надкарбоновой толще (обводненность, устойчивость и мощность отложений); 2) условия проведения выработок в карбоне (прочность пород).
Для I случая, при наличии надкарбоновой толщи, территория Донбасса подразделена на 3 группы районов: I- сложные условия вскрытия, II – относительно сложные и III – с простыми условиями.
I группа – районы с мощность покровных отложений 20-200 м, многочисленными горизонтами напорных вод палеогеновых, юрских и триасовых отложений. Напоры достигают 80-120 м.
II группа – угленосная толща покрыта меловыми, палеогеновыми и неогеновыми отложениями мощностью до 300 м, содержат безнапорные и напорные воды. Напоры достигают 20-120 м.
III группа – угленосная толща выходит на поверхность, или покрыта маломощным чехлом неогеновых (до 100 м) и четвертичных отложений.
Гидрогеологические и инженерно-геологические условия благоприятны.
По условиям проведения выработок в карбоне прослежены три зоны по степени метаморфизма (см. раздел 6).
5.4 Изменение геодинамической обстановки при подземной разработке угольных месторождений
Из-за естественных причин (состав и строение массива, физического состояния, гидрогеологических условий) при подработке происходит перераспределение напряжений и их разгрузка. При этом важны - подземные работы, скорость и последовательность проходки, размеры выработанного пространства.
Наибольшую опасность при разработке имеет сдвижение пород над выработанным пространством, горное давление, горные удары, разуплотнения, расслаивания, обрушения, оплывания, выпирания, газодинамические явления.
Оценка и прогноз инженерно-геологических условий месторождения должны основываются на учете и изучении природных и горнотехнических факторов.
5.4.1 Сдвижение горных пород в массиве
При подработке поверхности геодинамические процессы вызывают оседание, провалы поверхности в границах мульды сдвижения. Сначала происходит прогибание кровли выработок. С увеличением разработок прогиб увеличивается и сдвигаются следующие слои, породы обрушаются.
Оседание и сдвижение пород деформирует поверхность и формирует мульды сдвижения. Высота зоны обрушения - 2-6 мощности вынимаемого пласта, зона трещинообразования - 20-40 мощностей пласта.
При
пологом
залегании пластов при разработке с
обрушением кровли отношение высоты
зоны обрушения (hобр).
к мощности вынутого пласта m не превышает
5,
,
на крутом
падении - больше. Сдвижение поверхности
зависит от мощности пласта, площади
выработанного пространства, глубины
горных работ и способа управления
кровлей.
В мульде возникают деформации, приводят к повреждению, разрушению сооружений, образованию оползней, заболачиванию и затоплению
5.2 – Схемы оседания и сдвижения подработанных толщ пород, залегающих: а – горизонтально; б – наклонно; в - крутонаклонно
площадей, прорывам воды в выработки при подработке старых затопленных объектов и водоносных горизонтов, образованию плывунов.
Защитные мероприятия от сдвижения: разделение зданий на отсеки, усиление стен железобетонными поясами и стальными тяжами, анкеровка в стены концов балок перекрытий, устройство компенсационных траншей, преобразование жестких узлов связей в шарнирные. Разработка пластов с закладкой выработанного пространства уменьшает деформацию земной поверхности на 50-90 %; применение камерной системы разработки с закладкой камер – уменьшает на 90-95 %. Частичная отработка пласта по площади уменьшает деформации на 40-45 %; оставляют предохранительные целики.
5.4.2 Горное давление
Гравитационные и тектонические силы, изменения температуры массива вызывают напряжения на контакте порода-крепь. Горное давление - давление пород на крепь, целики, предохранительные слои, стенки горных выработок.
Оно проявяется в виде нагрузки на крепь, горных ударов, газодинамических явлений.
1 – контур сечения выработки;
2 – величина смещения;
3 – положение крепи в момент установки;
4 – положение крепи при отходе забоя;
5 – границы зоны неупругих деформаций
Рисунок 5.2 – Схема формирования горного давления на крепь
в разрезе вдоль оси выработки
Величина горного давления зависит от геологического строения и свойств горных пород, глубины залегания, физического состояния и тектонических условий, степени обводненности, размеров и формы горных выработок, системы, способа и скорости проходки, глубины заложения и их назначения (подготовительные, капитальные, очистные). Угольный пласт впереди очисного забоя является опорой для кровли, в нем возникают повышенные нормальные напряжения или опорное давление, вызывающее частичное разрушение и выдавливание призабойной части пласта (отжим угля). В кровле очистных выработок возникают смещения пород, послойные изгибы с отслоением пород.
1 – угольный пласт;
2 – опорное давление;
3 – основная кровля;
4 – обрушение породы;
5 – просадочная крепь;
6 – призабойная крепь;
7 – зона отжима;
8 – непосредственная кровля
Рисунок 5.3 – Схема проявления горного давления в лаве
Установлены закономерности проявления горного давления при проведении горных выработок: 1) максимальная концентрация механических напряжений проявляется на контурах выработок, особенно на углах; 2) если горизонтальные размеры выработок больше, чем вертикальные, в их кровле и почве возникают растяжения, если отношение вертикального и горизонтального размеров 5:1 в кровле и почве могут существовать только сжимающие усилия; 3) перед очистными забоями развивается интенсивное опорное давление в 2-10 м перед фронтом очистных работ, в предохранительных целиках; 4) опорное давление и размер области его проявления возрастают с увеличением глубины разработки; 5) в прочных породах кровли опорное давление распространяется в глубь массива; 6) наибольшие напряжения возникают, если почва и кровля неоднородны; 7) концентрация напряжений в зоне опорного давления обратно пропорциональна углу падения пластов; 8) горное давление в набухающих породах на обводненных участках выше, чем на необводненных.
1 – основная кровля;
2 – непосредственная кровля;
3 – угольный пласт;
4 – выработанное пространство;
5 – эпюры опорного давления
Рисунок 5.4 – Обрушение основной кровли над очистной выработкой (по А.А. Борисову)
Для недопущения обрушения пород (рисунок 5.4) в призабойное пространство с разрушением крепи, применяют полное обрушение и закладку выработанного пространства.
5.4.3 Горные удары – мгновенное освобождение упругого сжатия пород, с быстрым разрушением перенапряженных участков, прилегающих к выработке. Сопровождается выбросом пород в выработку, сильным звуком, возникновением мощной воздушной волны и сотрясением пород. Разрушение происходит лавинообразно с образованием устойчивой по форме полости. Проявляются они на краях подготовительных и очистных выработок, в целиках, на глубинах более 200м. Их локальные проявления - стреляние пород, микроудары и толчки.
Рисунок 5.5 – Схема к проявлению горных ударов: в целике (а) и в очистном забое (б), h1 и h2 – соответственно смещения кровли и почвы в результате упругого расширения массива горных пород (пунктирными линиями показаны зоны опорного давления и разгрузки до горного удара, сплошными – после удара).
Удароопасность связана с прочностью, структурой пород, углами падения и глубинами разработки. Удароопасность повышается чем ниже прочность угля и круче углы падения пород, с глубиной при наличии разрывов. Удароопасны песчаники, известняки мощность болем 10м на глубине более 0,5 км. Учитывают при этом горное давление, условия вскрытия, систему разработки, неправильное ведение горных работ.