К малоамплитудным относят мелкие (со стратиграфической амплитудой от 3 до 10 м) и очень мелкие (с амплитудой менее 3 м) тектонические нарушения породного массива. Они распростране-ны практически на всех шахтных полях.

В практической деятельности горных предприятий геологи-ческие нарушения играют особую роль. Ведение горных работ в зонах влияния геологических нарушений всегда вызывает нарушение их ритмичности, требует применения дополнительных организационно-технических мероприятий, затрат времени и средств на переход нарушенных зон. Это касается всех без исключения видов горных работ: ведения очистных работ, управления горным давлением, проведения горных выработок, предотвращения газодинамических явлений (ГДЯ) и т.д.

Малоамплитудные разрывные нарушения геологической разведкой не выявляются [1], поэтому они не учитываются при планировании горных работ. Вскрываются малоамплитудные нару-шения проводимыми выработками неожиданно, и поэтому они мо-гут вызвать внезапное обрушение боковых пород, повышенное газовыделение, инициирование ГДЯ и другие осложнения.

С практической точки зрения малоамплитудные нарушения представляют интерес с двух позиций: обнаружения (прогноза) их при проведении горных выработок и определения их характеристик с целью установления степени влияния на процесс ведения горных работ.

Поэтому целью научных исследований малоамплитудных нарушений является установление закономерностей и особенностей их расположения, характеристических признаков, состояния и свойств породного массива в зонах влияния нарушений.

Перечень исследуемых вопросов чрезвычайно широк, так как малоамплитудные нарушения различаются своими параметрами (величина амплитуды, угла сместителя, зоны влияния), состоянием (напряженно-деформированным, газодинамическим) и свойствами (прочностными, структурными и др.) массива пород на участке влияния нарушения.

В свете вышеизложенного целесообразно проанализировать имеющиеся материалы по данному вопросу.

В целом малоамплитудные нарушения характеризуются двумя факторами [1]: повышенной трещиноватостью пород, обусловливающей изменение физических и структурных свойств пород и изменением литогенетического типа пород в слое.

Разрывные малоамплитудные нарушения имеют следующий характер проявления[2]: 1) в виде одиночных или групп и систем мелкоблоковых подвижек угольного пласта; 2) в виде относительно небольших зон, примыкающих к крупным разрывным нарушениям; 3) на некоторых участках развития крупных нарушений в виде системы мелких разрывов ступенчатого характера с суммарной амплитудой смещения, близкой к амплитуде крупного нарушения; 4) в виде систем мелких парных сбросов.

Особенности состояния и свойств массива горных пород в районах геологических нарушений приведены в таблице 1.

Обобщение данных табл. 1 позволяет сформулировать следующие закономерности состояния и свойств породного массива и угольного пласта в районах геологических нарушений:

• Повышенное напряженно–деформированное и газодина-мическое состояние горного массива.
• Интенсивная трещиноватость пород.
• Повышенное проявление горного давления.
• Повышенная изменчивость прочностных и структурных свойств угольного пласта, элементов его залегания.
• Повышенная температура угольного пласта и боковых по-род.
• Повышенные параметры сейсмоакустического сигнала (амплитуда, энергия, отношение низких и высоких частот).
• Пониженные прочностные свойства угольного пласта и боковых пород.
• Пониженное удельное электрическое сопротивление пород.

Хотя в конкретных горно–геологических условиях вышеперечисленные закономерности проявляются не в одинаковой степени, имеют свои количественные параметры, в целом они могут быть использованы, во–первых, для разработки практических решений при переходе зон влияния нарушений (прогноз, мероприятия) и, во–вторых, для разработки направлений дальнейшего про-ведения исследований малоамплитудных нарушений.

Рассмотрим влияние малоамплитудной нарушенности на ве-дение горных работ. В первую очередь это влияние сказывается на проведении и поддержании горных выработок. Интенсивная трещиноватость пород на участках малоамплитудных нарушений, ослабление прочностных свойств пород обусловливают снижение их устойчивости. Это приводит к обрушениям пород при незначи-тельных их обнажениях при проходке выработок и повышенным смещениям (и нагрузкам на крепь) при их эксплуатации.

Так, в работе [5] были выявлены следующие закономерности влияния параметров дизъюнктивной нарушенности на условия поддержания горных выработок: Влияние амплитуды дизъюнктивного нарушения При увеличении амплитуды нарушения (А, м) увеличиваются смещения вмещающих выработку горных пород. Это можно объяснить тем, что при увеличении амплитуды нарушения соответственно увеличивается протяженность зоны раздробленных, силь-нотрещиноватых и расслоенных пород, что резко снижает устойчивость нарушенного участка выемочного штрека. Влияние угла падения сместителя тектонической трещины

При увеличении угла падения сместителя, смещения вмещающих выработку горных пород уменьшаются. Данный факт можно объяснить тем, что при увеличении угла падения сместителя соответственно уменьшается протяженность зоны ослабления (дробления, расслоения) пород по длине выработки.

При проектировании выработок влияние тектонической нарушенности учитывается следующим образом [6, 7].

Для выработок, располагающихся в районах крупных тектонических нарушений, расчет производят по т.н. расчетной глубине Нр, равной

где Н – фактическая глубина расположения выработки, м k – коэффициент, учитывающий влияние тектонического нарушения (k > 1) Влияние малоамплитудной нарушенности учитывают ис-пользованием расчетной прочности пород Rc

где R – прочность пород в образце, МПа; kс – коэффициент структурного ослабления.

Величина kс по различным данным, составляет kс = 0,2 – 1,0. Определение его представляет сложную задачу. Соответствующим коэффициентом учитывается обводненность выработок.

Автор работы [8] считает, что влияние дизъюнктивных нарушений должно учитываться коэффициентом kз – многофункциональным параметром, который является функцией амплитуды разлома, ее ориентации, глубины, сечения горной выработки. В данный период предлагается расширенная формула для определе-ния коэффициента структурного ослабления kс:

где kw – коэффициент, учитывающий характер обводненно-сти выработки; kt – коэффициент влияния времени эксплуатации выработки; kз (L)– коэффициент влияния дизъюнктивного нарушения, имеющий экспоненциальную зависимость; L – расстояние до дизъюнктивного нарушения; Rм – предела прочности на одноосное сжатие породного мас-сива; Rм – предела прочности на одноосное сжатие образца пород-ного массива.

Для расчета крепи горных выработок необходимо знать характер напряженно-деформированного состояния пород, их окружающих.

Были попытки компьютерного моделирования [9], в резуль-тате чего получены диаграммы распределения зон неупругих деформаций пород кровли по длине подготовительной выработки в условиях малоамплитудной дизъюнктивной нарушенности. Ана-лиз этих диаграмм показывает, что в зоне влияния разрывного нарушения, как в висячем, так и в лежачем боку высота зоны не-упругих деформаций пород кровли возрастает в 1,5 ÷ 2,5 раза.

В работе [10] приведены особенности напряженно-деформированного состояния пород вокруг выработок, располо-женных в зонах влияния разрывных нарушений. Они заключаются в том, что в условиях разрывного нарушения большое значение имеет горизонтальная составляющая напряжений в массиве. Это положение отмечается при анализе значения угла встречи наруше-ния выработкой. С изменением этого угля с 90° до 22° суммарные затраты на проведение и поддержание выработок увеличиваются в 2,18 раза. И объясняется это тем, что чем меньше угол подхода выработки к нарушению, тем больше влияние на ее устойчивость оказывает горизонтальная составляющая напряженного состояния массива. При подходе выработки под углом 90° горизонтальная составляющая направлена параллельно выработке, что не вызывает существенного влияния на ее устойчивость. Если выработка параллельна нарушению, то это влияние наиболее вредно.

В этой же работе [10] установлено, что при малоамплитудных дизъюнктивных нарушениях вертикальная и горизонтальная составляющие тензора напряжений увеличивается на величину, равную

где Δm – смещение пласта в сторону пород кровли или почвы, м; β – угол, под которым произошло смещение пласта, градус. m – мощность пласта, м

В работе [11] исследователи выявили иную картину. Здесь на основании исследований, проведенных ультразвуковым методом в подготовительной выработке в непосредственной близости от нарушения (на расстоянии 1 м), обнаружили, что в результате образования зоны трещиноватости произошла деформация массива, и зона повышенных напряжений сместилась вглубь его. На расстоянии 4 м от нарушения, где тектоническая трещиноватость практически отсутствовала, возникала концентрация напряжений, причем максимум зоны повышенных напряжений сместился ближе к контуру выработки, чем в нормальных условиях. Далее в этих зонах наблюдались повышенные смещения.

Контрольные измерения относительной напряженности мас-сива методом буровых скважин также показали [11], что наибольшие деформации скважин происходят не в трещиноватых зонах нарушений, а на расстоянии 3-5 м от них.

Предполагается, что повышенные горизонтальные напряжения, возникающие в результате тектонических подвижек, частично релаксировали, однако при подходе горных работ к трещиноватому и ослабленному массиву происходит аномальное распределение напряжений. [11]

Следовательно, в условиях малоамплитудного дизъюнктивного нарушения необходимо научиться определять влияние тектонических подвижек, которые могут приводить к повышенной горизонтальной составляющей напряженно-деформированного состояния массива горных пород.

Вследствие того, что горные выработки в настоящее время располагаются на глубинах 800 – 1400 м, породы, их вмещающие, во многих случаях находятся в запредельном состоянии. Об этом свидетельствует наличие отжима в угольных забоях, разрушенных пород за крепью выработок. Тем более это относится к зонам геологических нарушений, прочность пород в которых снижена.

Поэтому целесообразно проанализировать поведение горных пород в зонах геологических нарушений с позиций запредельного деформирования.

Отметим характерные особенности этой диаграммы: – при разгрузках и нагружениях образца за пределами проч-ности СВ и ЕD запредельный участок диаграммы CEFG такой же, как и при деформировании ненарушенного образца; – модуль деформации (спада) при первом цикле разгрузки – нагружение за пределом прочности ниже, чем модуль деформации при нагружении ненарушенного образца, а при втором цикле разгрузка – нагружение ниже, чем при первом цикле; – предел прочности образца при одноосном сжатии достигается при продольных деформациях сжатия, равных εz = 0,3÷0,6 % и поперечных εr = 0,2÷0,5 %; т.е. при коэффициенте поперечной деформации, равном в среднем α = 0,78.

Рис. 1. Полная диаграмма деформирования образца горной породы с двумя циклами разгрузки и нагружения на ее запредельной ветви

Рассмотренная полная диаграмма деформирования породно-го образца может служить моделью процесса деформирования участка массива горных пород, который под влиянием тектониче-ских сил был переведен на запредельный участок деформирования. Последующие разгрузки и нагружения нарушенного массива пород могли происходить как под влиянием новых тектонических процессов, так и под влиянием геомеханических процессов, проис-ходящих при ведении горных работ, особенно при разработке свит угольных пластов. При этом в процессе разработки периоды нагружения могли сменяться на периоды сжатия.

Одним из основных параметров малоамплитудных наруше-ний является протяженность зон их влияния. Предложены много-численные методы их определения [9, 13, 14, 15]

Остановимся на одном из них [13]. Предлагается протяжен-ность зоны влияния малоамплитудного разрывного нарушения в почве Lп, выработки определять из выражения:

где А – амплитуда смещения пласта в нарушении, м; β – угол пересечения выработкой сместителя, градус.

А для расчета протяженности зоны в кровле Lкр, и боках Lб это выражение умножается соответственно на 2 и 3.

Следует заметить, что приведенные зависимости определяются без учета вмещающих выработку пород и глубины расположения выработки, что не совсем корректно. Отметим, что имеются методики определения протяженности зон влияния нарушений с учетом указанных и других (показатель нарушенности, уголь па-дения сместителя, модуль деформации пород и т.д.) факторов [9, 14, 15].

По результатам выполненного анализа малоамплитудных тектонических нарушений могут быть определены нерешенные научно-практические вопросы и намечены направления дальней-ших исследований для их решения.

1. Разработка научных основ прогноза малоамплитудных нарушений. Исследования по этому вопросу целесообразно производить в следующих направлениях:

– изучение показателей, характеризующих состояние и свойства угольного пласта и боковых пород (см. табл. 1 и закономер-ности) с целью выявления наиболее информативных из них и уста-новления критериальных значений;

– более глубокая проработка наметившегося направления прогноза на основе зависимости проявлений малоамплитудной нарушенности от крупных тектонических нарушений [16];

– разработка комплексного показателя прогноза на основе результатов этих направлений исследований.

2. Разработка методики определения коэффициента структурного ослабления пород в зонах влияния малоамплитудных нарушений в зависимости от горно-геологических условий, характеристики и параметров нарушений. Корректировка методов расчета смещений пород на контуре выработок в зонах нарушений с учетом дифференцированного коэффициента структурного ослабления.

3. Разработка модели напряженно-деформированного состояния пород вокруг выработок в зонах малоамплитудных нарушений с учетом перехода пород в предельное и запредельное состояние, влияния тектонических подвижек и т.д.

4. Дифференциация состояния и изменчивости свойств пород в зонах влияния малоамплитудных нарушений в зависимости от расположения относительно плоскости сместителя.

Библиографический список

1. Анциферов А. В. Теория и практика шахтной сейсморазведки / А. В. Анциферов. – Донецк: ООО «Алан», 2003. – 312 с.
2. Миронов К. В. Справочник геолога-угольщика /А. В. Миронов. – М.: Недра, 1991. – 363 с.
3. Минеев С. П. Горные работы в сложных условиях на выбросо-опасных угольных пластах / С. П. Минеев, А. А. Рубинский, О. В. Витушко, А. Г. Родченко. – Донецк: ООО „Східний видавничий дім”, 2010. – 603 с.
4. Систематизация имеющегося материала по газовому давлению в угольных пластах Донбасса: Отчет НИР / МакНИИ; Рук. Ю.Т. Хорунжий. – работа № 21. – Макеевка, 1963. – 20 с.
5. Компанейцев А. Ю. Исследование влияния дизъюнктивных нарушений на конвергенцию подготовительных выработок на шахтах Российского Донбасса // Научно-технические пробле-мы разработки угольных месторождений, шахтного и подзем-ного строительства: Сб. науч. тр. / Шахтинский ин-т ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2005. – 244 с. (с. 91–99).
6. СНиП – 94–80. Строительные нормы и правила. Ч.II. Нормы проектирования. Глава 94. Подземные горные выработки. – М.: Стройиздат, 1982. – 31 с.
7. СОУ 10.1.00185790.011:2007. Підготовчі виробки на пологих пластах. Вибір кріплення, способів і засобів охорони. – К.: Мінвуглепром України, 2007. – 116 с.
8. П. Н. Должиков, Ю. И. Кобзарь, Ю. П. Должиков Об устойчиво-сти горных выработок глубоких Антрацитовых шахт в со-дизъюнктивных зонах. // Науковий вісник НГУ, 2010, № 9 – 10.
9. Ткачев В. А., Компанейцев А. Ю. Обеспечение устойчивости подготовительных выработок в сложных горно-геологических условиях // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. Часть 1. / Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2008. – 414 с. (c. 145-151).
10. Е. И. Кольчик, И. Е. Кольчик, В. И. Пилюгин. Влияние тектони-ческой нарушенности на условия проведения и поддержания пластовых выработок. – Донецк: ТОВ «Донецк-Вторма», 2007. – 184 с.
11. Глушко В. Т., Яланский А. А., Курносов А. Т., Паламарчук Т. А. Влияние геотектоники шахтного поля на горные работы и ее интерпретация. – Разработка месторождений полезного иско-паемого на больших глубинах. К.: Техника, 1979. – С. 51–56.
12. Прочность и деформируемость горных пород / Ю. М. Карта-шов, Б. В. Матвеев, Г. А. Михеев, А. Б. Фадеев. – М.: Недра, 1979. – 269 с.
13. Кольчик Є.  І. Геомеханічне обґрунтування стійкості виїмкових виробок при інтенсивній підробці вугільних пластів. – Авто-реф. дис... д-ра наук: 05.15.02 // – Інститут фізики гірничіх про-цесів НАН України, Донецьк, – 2007. – 32 с.
14. Мирный В. В. Стягун А. В. Определение ширины зон влияния мелкоамплитудных разрывных нарушений. Разработка место-рождений полезных ископаемых. № 67 / - Киев, «Техника», – 1984, с.50–52.
15. Кошелев К. В., Петренко Ю. А., Новиков А. О. Охрана и ремонт горных выработок. – М.: Недра., 1990.– 218 с.
16. Белицкий А. А. К разработке методики прогноза нарушенности шахтных полей Кузбасса // Вопросы геологии Кузбасса. – Изд-во Томского университета, 1959. – Т. 99. – с. 280-295.