Источник: УГОЛЬ – 1988, с.61 –63
Перспективным методом решения проблемы прогноза разрывных нарушений и оценки влияния нарушенности на устойчивость угольного пласта и вмещающих пород является метод геометризации.
ВНИМИ проведены исследования с применением этого метода по трем направлениям: выявление взаимосвязи крупных и мелких тектонических нарушений, позволяющей оценить общую картину распределения нарушенности по площади шахтного поля;
геометризация единичных нарушений с целью оценки соотношения между отдельными параметрами сместителя для обоснованного прогноза положения нарушения в пространстве и тенденции его развития и затухания; оценка характера распределения аномальных значений показателей физических и механических свойств угля и вмещающих пород в зонах влияния разрывных нарушений, определяющая возможность прогноза уровня потерь угля в недрах и оперативной оценки положения участков, потенциально опасных для ведения горных работ.
Структуру месторождения или его части определяют крупно– и мелкоамплитудные разрывные нарушения, в строении и распределении которых есть определенные закономерности. Их необходимо учитывать при оценке уровня запасов угля, объема предполагаемых потерь и т. д.
Сравнительно крупные разрывные нарушения в большинстве случаев представлены не одним сместителем, а серией меньших по амплитуде сближенных субпараллельных или кулисообразно расположенных нарушений, формирующих зону, вытянутую в на– правлении простирания разрывов. Малоамплитудные нарушения, не имеющие четкой пространственной связи с крупными дизъюнктивами, располагаются изолированно или в виде скоплений, образующих вытянутую зону. Скопления мелких нарушений, изолированных или приуроченных к крупным дизъюнктивам, образуют тектоническую зону, величина смещения в которой оценивается суммарной амплитудой (сумма абсолютных значений амплитуд всех нарушений). За мощность зоны принимается ширина полосы, в пределах которой сконцентрированы разрывные нарушения. Ширина тектонических зон зависит от амплитуд нарушений. Количественная оценка степени нарушенности угольных пластов в контуре тектонических зон показывает, что нарушенность в зонах гораздо выше, чем вне их. Даже на сложных в тектоническом отношении выемочных участках, а также в блоках, списанных по горно–геологическим условиям, нарушенность в 2—2,5 раза ниже, чем ее уровень в пределах тектонических зон.
Установлена тенденция увеличения потерь угля по мере возрастания интенсивности тектонической нарушенности выемочных полей. Для оценки тектонической нарушенности участков угольных пластов установлен показатель нарушенности K1, представляющий собой отношение суммарной протяженности (м) нарушений на участке к его площади (га).
Изучение дизъюнктивов, проведенное лабораторией геологического обеспечения ВНИМИ на основе наблюдений в горных выработках и анализа материалов горно– геологической документации шахт Кузнецкого, Карагандинского, Донецкого и других бассейнов, позволило установить ряд закономерностей в их строении. Среди факторов, характеризующих смещение, следует выделить: элементы залегания сместителя и пласта в местах наблюдения смещений; направление действительного перемещения крыльев; истинную амплитуду перемещения в точках наблюдения; положение наибольшей ампли– туды на сечении сместителя и его протяженность между участками затухания смещений; максимальную амплитуду на сместителе, его форму и размеры; положение плоскости сместителя в пространстве, оценку его развития и затухания.
Особое внимание следует уделять определению направления следов перемещения крыльев дизъюнктива. Движение одного крыла относительно другого сопровождается разрушением и истиранием зажатого между ними материала с образованием зеркал и штрихов скольжения, которые служат указателями направления относительного переме– щения крыльев. Для характеристики направления относительного перемещения крыльев дизъюнктива в плоскости сместителя предложено измерять угол между направлением простирания сместителя и восстанием следов перемещения. Известно, что любой, даже очень крупный дизъюнктив не бесконечен (полностью затухает). Амплитуды смещения дизъюнктива от максимального значения уменьшаются в противоположные стороны. При построении графиков распределения амплитуд смещений по прослеженным сечениям отмечена симметричность их конфигурации. Это свидетельствует о том, что наибольшая амплитуда перемещения находится в центральной части сечений, при этом наблюдается равномерное уменьшение амплитуд по мере удаления от центра. Расстояние между нулевыми значениями амплитуд характеризует протяженность l вскрытого сечения дизъюнктива, в центре которого находится наибольшая (в данном сечении) истинная амплитуда r смещения.
Изображение плоскости сместителя линиями изоамплитуд позволило представить его как систему дифференциальных смещений и построить эпюру дизъюнктива. Изоамплитуда нулевого значения оконтуривает сместитель, ограничивает его размеры и отражает область его распространения. В центре эпюры расположена максимальная истинная амплитуда перемещения дизъюнктива. Анализ более 100 эпюр, построенных по результатам изучения сместителей в различных бассейнах, позволил установить следующие закономерности в их строении:
–независимо от условий формирования все дизъюнктивы имеют вытянутую в одном направлении форму, напоминающую эллипс, который с некоторой погрешностью можно принять за модель сместителя. Большая ось эллипса — длина сместителя L, малая — высота Н;
–в пределах сместителя выделяется один максимум амплитуды, во все направления от которого наблюдается постепенное уменьшение ее до полного затухания;
–большинство сместителей имеет симметричное строение.
Одним из основных элементов дизъюнктива является характеристика его положения в пространстве. Азимут и угол падения сместителя характеризуют его положение в пространстве только в случае изометрического расположения изоамплитуд относительно максимальной величины смещения. Сместитель, как правило, имеет вытянутую форму и для определения положения его в пространстве необходимо знать ориентировку его осей. На направлении наибольшего развития дизъюнктива (удлинение) указывает положение большой оси относительно горизонта. При известном положении эпюры сместителя в пространстве оценивается характер изменения амплитуд в пределах сме– щенных им участков угольных пластов. Установлено, что направление перемещения крыльев совпадает с положением малой оси эпюры сместителя. Следовательно, изучение следов перемещения позволяет определить положение осей эпюры сместителя в пространстве.
По результатам изучения разрывных нарушений на шахтах Кузнецкого, Донецкого и Карагандинского бассейнов установлено, что соотношения максимальных амплитуд, высот и длин сместителей величины постоянные и соответственно равны 1:20:60; 1:22:70; 1:22:80. Выведенные соотношения позволяют определять размер сместителя в том случае, если известна его максимальная амплитуда. Установленное соотношение дает предварительную оценку размерам дизъюнктива, вскрытого в одной точке. В случае, когда прослеженное сечение проходит через центр сместителя, наибольшая амплитуда на сечении является максимальной.
Приведенная геометризация единичного сместителя на основе анализа распределения амплитуд по поверхности сместителя позволяет определить его форму и положение в пространстве. Установленные взаимосвязи между параметрами сместителя дают возможность по вскрытому сечению рассчитать размеры дизъюнктива, а также оценить направление его развития и затухания.
Формирование разрывных нарушений вызывает ряд изменений физико–механических свойств пород, участвующих в деформации. Исследованиями, проведенными на шахтах основных угольных бассейнов, установлено, что вблизи разрывных нарушений отмечается устойчивое изменение горно–геологических факторов.
Анализ физико–химических свойств блестящего витренового угля марки Г показал последовательное уменьшение выхода летучих и увеличение отражательной способности угольного вещества в зоне непосредственного контакта со сместителей, а также изменение химического состава (содержание углерода увеличивается на 1—2 %) и физических свойств (пористость повышается на 2—3 %, влажность — на 0,5 %).
Для зоны влияния разрывных нарушений характерно постепенное, но стабильное возрастание скорости сдвижения кровли выработки. Максимальная скорость конвергенции фиксируется в непосредственной близости от сместителя, где она в 2—3 раза превышает скорость сдвижения кровли, характерную для области ненарушенного залегания пород.
С приближением к разрывному нарушению отмечается уменьшение крепости угля и вмещающих пород, обусловливающее потерю устойчивости кровли горных выработок. Снижение крепости угля резко усиливается в непосредственной близости от сместителя. Приведенная закономерность характерна и для вмещающих угольный пласт пород — ширина зоны пониженных значений крепости пропорциональна амплитуде смещения, но абсолютные значения зависимости значительно меньше, чем отмеченные в угле. Анализ прочностных свойств углей показал, что образование куполов, вывалов, обрушений в кровле очистных выработок связано с участками, на которых значения показателя крепости в несколько раз меньше фоновых, характерных для ненарушенного угля. Значения крепости, при которых начинаются проявления неустойчивого поведения кровли, получили название «предельных». В зонах «предельных» значений крепости выделяются участки с еще более низкой крепостью угля, характеризующиеся резко пониженной устойчивостью кровли, к которым приурочены образующиеся купола, об– рушения кровли, завалы лав и т. д. Зону крайней неустойчивости называют «критической», а значения крепости, обуславливающие подобное по ведение кровли, считают «критическими».
В зонах разрывных нарушений повышена трещиноватость угля и вмещающих пород. Как правило, изменение характера трещиноватости в зонах влияния нарушений происходит за счет увеличения числа систем трещин и повышения интенсивности трещиноватости в пределах каждой из существующих систем. Ширина зоны повы– шенной трещиноватости зависит от амплитуды разрывного нарушения.
Установлено, что зона изменения каждого из перечисленных факторов имеет собственные размеры, находящиеся в определенной зависимости от амплитуды нарушения. Сравнительный анализ показывает, что наименьшей (равной 0,5 нормальных амплитуд смещения) является зона пониженной крепости пород, вмещающих угольный пласт; самой протяженной — зона повышенной трещиноватости угля, ширина которой равна приблизительно 10N. Зоны, выделяемые по другим факторам, имеют промежуточные значения. Так, ширина зоны «критической» крепости угля равна одной нормальной амплитуде; зоны повышенной скорости сближения кровли и почвы выработки составляют 1,5N, зоны «предельной» крепости угля — 3N.
Существование ряда зон у разрывного нарушения, ширина которых пропорциональна амплитуде смещения, позволяет определить возможность смещения угольного пласта в горной выработке и дать предварительную оценку его амплитуде. Построение объемной модели дизъюнктива по результатам горно–геометрического анализа смещений позволит с наибольшей достоверностью выделить: зоны его влияния на прочностные и деформационные свойства разрабатываемого массива; зоны, опасные по ведению горных работ при разработке угольных пластов; зоны сосредоточенных деформаций на подрабатываемых территориях, опасных для строительства зданий и сооружений, а также оценить влияние разрывов на полноту извлечения промышленных запасов. На основе установления «предельного» показателя степени нарушенности отдельных участков угольных пластов для их геолого–промышленной оценки появились возможность и необходимость в разработке кондиций по нарушенности, которые наряду с кондициями по зольности и мощности являются показателями рентабельности эксплуатации угольных месторождений.
Библиотека