УДК 622.268: 28.004.5
МОРФОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ДИЗЪЮНКТИВОВ
докт. техн. наук Ю.М.Халимендик (ГХК “Павлоградуголь”)
Деформации пород, которые образуются непосредственно при ведении горных работ, по своим размерам различны — от микроскопических нарушений строения кристаллов до перемещения крыльев разрывных нарушений в сотни метров. Выяснение механизма образования дизъюнктивов дает возможность уменьшить фактор неопределенности при ведении горных работ [1, 2, 3].
М.В.Гзовским установлены 5 стадий образования разрывных нарушений [4], теоретическая база которых стала основой для проведения морфологических исследований мелких дизьюнктивов в условиях 10 шахт Западного Донбасса на основе инструментальных съемок и визуальных зарисовок. Количество линий скрещения составило 304, с максимальной амплитудой смещения до 20 м.
Особенностью распространения линий скрещения является смещение угла между двумя господствующими направлениями, который составляет примерно 60° (рисунок 1)
.
Так как плоскости сместителей имеют неровную изогнутую поверхность, то линии скрещения сместителя с пластом должны иметь волнистый характер. М.В.Гзовским на примере Байджансайского антиклинория, хребта Каратау, установлена гирляндовидная, синусоидальная волнистость, а также изломы, чередование плавных изгибов линий простирания разрывов с резкими изломами [4].
Нормированная корреляционная функция линии скрещения сместителя с пластом описывается уравнением:
r (l) = ехр[–0,005(D М)2 – 0,009(D М)],
где r (l) — нормированная корреляционная функция; D М — расстояние между соседними точками по оси абсцисс.
Стремление корреляционной функции к нулю при стремлении к увеличению расстояния между точками наблюдения говорит об отсутствии корреляции между отдельными элементами нарушения на значительных разделяющих интервалах. Случайную функцию линии скрещения графически разбивали на прямолинейные отрезки длиной до 3 м. Общее число их составило 195. Гистограмма распределения протяженности прямолинейных отрезков имеет асимметричный вид, и выравнивающая кривая распределения описывается уравнением:
f(k) = 0,69 ехр(–0,14k),
где f(k) — функция теоретического распределения частоты протяженности прямолинейных отрезков случайной функции линии скрещения плоскости сместителя с пластом; k — длина прямолинейного отрезка этой же случайной функции.
Плотность распределения углов между прямолинейными отрезками флюктуации носит равномерный характер и описывается уравнением: f = 0,036 при 1° ? a ? 29° и f = 0 при a I (1° ; 29° ).
Графическое изображение закона изменения амплитуды вдоль линии скрещения сместителя с пластом представляет собой эпюру распространения амплитуды нарушения в плоскости пласта.
Для его построения на оси абсцисс откладывались расстояния до точки наблюдения от точки с нулевой амплитудой, по оси ординат откладывались значения амплитуд. Результаты наблюдений равноточные и поэтому статистической оценкой математического ожидания является простая арифметическая средняя. Зависимость между амплитудой смещения крыльев дизъюнктивного нарушения и расстоянием к точке с нулевой амплитудой описывается зависимостью:
R = 0,02 l ,
где l — расстояние от точки наблюдения до выклинивания сместителя вдоль линии скрещения, м; R — стратиграфическая амплитуда смещения крыльев дизъюнктивного нарушения в точке наблюдения, м.
Ранее установлены соотношения между амплитудой перемещения R и длиной сместителя L: для Кузбасса R = 0,017L; для Караганды R = 0,012L [1]; для Западного Донбасса R = 0,01L.
Формирование зон сжатия и растяжения при перемещении крыльев по сместителю в замкнутом объеме, по видимому, может произойти за счет пластических деформаций или более мелкого хрупкого разрушения. По результатам 39 инструментальных съемок нарушенных зон, произведенных на шахте “Днепровская”, стратиграфическая амплитуда перемещения крыльев разрывного нарушения (Ак) в 28 случаях была менее стратиграфической амплитуды в месте разрыва сплошности массива (Ар). Лишь в 3 случаях Ак>Ар, а в 8 случаях Ак=Ар. Наличие в большинстве случаев несогласных загибов слоев с положением крыльев нарушения указывает на опережение разрыва сплошности массива перемещением блоков. Это явление приводит к пластическим и хрупким деформациям пород и угля приразрывной зоны.
Дизъюнктивные нарушения с малым углом скалывания иногда меняют знак смещения вдоль линии скрещения с пластом. Так при переходе сброса в 1105 лаве шахты им. Героев космоса в период входа лавы в нарушенную зону угол наклона плоскости сместителя составлял около 80° , затем при перемещении на 40 м вдоль сместителя его плоскость изменила свое положение и разрывное нарушение стало взбросом с углом наклона сместителя 70—85° .
Отдельные сместители имеют прерывистый характер. Эти особенности хорошо обнаруживаются при ведении очистных работ в нарушенных зонах. Установлены зоны неразрешенных перемычек между отдельными сместителями нарушенной зоны (рисунок 2). Наличие кулисообразного и ступенчатого расположения сместителей в пределах одной нарушенной зоны указывает на то, что отдельные разрывы сплошности горного массива развивались самостоятельно.
В условиях Западного Донбасса применяется термин “апофиза дизъюнктивного нарушения”, который подразумевает жилоподобное ответвление от основного тела [5]. По данным шахтных геологов на действующих шахтах ГХК “Павлоградуголь” не зафиксировано ни одного случая взаимного перемещения разрывных нарушений. Отсутствие смещений при “утыкании” двух разнонаправленных сместителей позволяет предполагать о последовательном их образовании в зависимости от формы и размеров эпюр сместителей (рисунок 3).
Наличие морфологических особенностей проявлений разрывных нарушений, несущих информацию о природе образования дизъюнктивов, на шахтных полях ГХК “Павлоградуголь” приведено в таблице 1.
Шахтные измерения в условиях шахты “Западно-Донбасская” выполненные с использованием метода локального гидроразрыва, показали, что величина измеренных горизонтальных напряжений находится в пределах (0,33 — 0,75) g H [7].
Тектоническое силовое поле более сложно, чем гравитационное. Оно связано с неравномерным распределением в пространстве скорости тектонических движений и скорости деформаций земной коры [8]. Тектонические силы имеют, как правило, горизонтальное направление [2, 7, 9] и во многих случаях их величина превышает значение гравитационных сил [10].
Если массив сложен разнородными слоями пород, вертикальное гравитационное напряжение g H будет монотонно возрастать с увеличением глубины. Напряжения в горизонтальной плоскости при общей тенденции к возрастанию с глубиной могут, при переходе от слоя с большим к слою с меньшим значением v, претерпевать существенные локальные изменения.
Для оценки величины горизонтальных тектонических напряжений использовано отношение Тн/g Н. Зависимость коэффициента m от Тн/g Н приведена на рисунке 4.
По результатам исследований мрамора Карманом и Бекером (при изменении m от 1 до — 1) и Григсом на мраморе и известняке, а также В.Лоде с металлами сделан вывод, что величина среднее нормальное напряжение s =(s 1+s 2+s 3)/3 практически на величину октаэдрического касательного напряжения [12], а значит и не зависит от значения промежуточного напряжения s 2. Отсюда, опасным состоянием напряженного тела является уравнение максимального касательного напряжения. Это подтверждается данными для материалов разрушающихся в зоне пластического течения [13].
При образовании сжимающих тектонических напряжений при Тн/g Н от 0 до 0,5 плоскость возможных смещений параллельна тектоническим напряжениям с образованием сбросов. На участке графика от 0,5 до 1 должны произойти смещения массива по плоскости параллельной вертикальной силе. При этом возможны образования складок с несогласными загибами части массива при образовании разрывов сплошности массива, что и встречается в практике [2]. При превышении Тн/g Н>1 видно, что формируются надвиги с плоскостью смещения параллельной среднему составляющему напряженного состояния.
Знание механизма образования разрывных нарушений снижает фактор неопределенности при принятии решений на ведение горных работ в нарушенных зонах, а количественная оценка геометрических параметров дизъюнктивов позволяет прогнозировать их распространение в горном массиве.
Библиографический список
1. Гарбер И.С., Григорьев В.Е., Дупак Ю.Н. и др. Разрывные нарушения угольных пластов. — Л.: Недра, 1979.
2. Халимендик Ю.М. Обоснование технологии перехода геологических нарушений механизированным комплексом в условиях Западного Донбасса. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Днепропетровск, 1983.
3. Майденович И.А. Радзивипл А.Я. Особенности тектоники угольных бассейнов Украины. — Киев.: Наукова думка, 1984.
4. Гзовский М.В. Основы тектонофизики. — М.: Наука, 1975.
5. Паффенгольц К.Н. Отв. ред. Геологический словарь. Т.1. 2-изд., испр. — М.: Недра, 1978.
6. Динник А.Н. Статьи по горному делу. — М.: Углетехиздат, 1957.
7. Халимендик Ю.М. Разработка и обоснование научно-технических решений поддержания горных выработок и увеличения полноты выемки угля в условиях слабометаморфизованных пород. Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук. — Днепропетровск, 1997.
8. Турчанинов И.А., Марков Г.А., Иванов В.И. и др. Тектонические напряжения в земной коре и устойчивость горных выработок — Л.: Наука, 1978.
9. Максимов А.П. Горное давление и крепь выработок. — М.: Надра, 1973.
10. Напряженное состояние земной коры. — М.: Наука, 1973.
11. Дж.Ферхуген, Ф.Тернер, Л.Вейне и др. Земля: Введение в общую геологию, Т.2. — М.: Мир, 1974.
12. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. — М.: Издательство ин. литература, 1954.
13. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. Изд. 2е, — М.: Недра, 1973.
a Ю.М.Халимендик, 1999