Оглавление

1. НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ИНЖЕНЕРНО_ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ РАЗВЕДКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ГОРНЫХ ОБЪЕКТОВ

2 ОБЩАЯ ГИДРОГЕОЛОГИЯ

3 ОСНОВЫ ДИНАМИКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

4 ОСУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

5 ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ 5 ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ

Объектом изучения инженерной геологии являются грунты – почвы и горные породы любого состава и генезиса, изучаемые как основания фундаментов различных инженерных сооружений, как среда и материал для их возведения, а также инженерно-геологические процессы и явления. Основными задачами всех выполняемых исследований являются изучение и оценка инженерно-геологических свойств горных пород (физических, механических, водных, коллоидно-химических и др.), т.е. свойств, которые определяют поведение горных пород при использовании их в качестве объектов инженерно-строительной деятельности.

Свойства грунтов определяют и условия ведения горных работ. В зависимости от прочности, трещиноватости, выветрелости, липкости грунтов выбирают технологию и способ ведения горных работ. Для оценки водопритоков в горные выработки, а также эффективности работы водопонижающих систем определяют фильтрационные свойства грунтов. Расчет устойчивости сводов подземных выработок проводится на основании показателей прочности грунтов на сдвиг и разрыв.
Состав, структура (обусловлена характером внутренних связей, размером, формой, расположением и количественным соотношением основных структурных элементов) и текстура (совокупность признаков, характеризующих пространственное расположение структурных элементов грунта) определяют качество грунтов при их использовании.
При оценке грунтов, в связи с инженерной деятельностью, применяются различные классификации, среди которых важное значение имеет их общая инженерно- геологическая, разработанная группой ученых и принятая в 1957 г. Совещанием по инженерно-геологическим свойствам пород, которая базируется на основных физических свойствах грунтов, отношении к воде и главнейшим техническим показателям.

5.1 Инженерно- геологическая классификация грунтов
На основании вышеперечисленных показателей грунты подразделяются на следующие группы: а) скальные грунты - изверженные, метаморфические и осадочные с жесткой связью между зернами (спаянные и сцементированные), залегающие в виде сплошного массива. Прочность скальных грунтов высокая. Предел прочности на сжатие у магматических пород изменяется от 800 до 3500 кГс/см2. У метаморфических пород он колеблется от 400 до 2500 кГс/см2, у осадочных – от 200 до 1200 кГс/см2. При такой прочности от давления инженерных сооружений эти грунты не сжимаются. Водопроницаемость скальных грунтов зависит от степени их трещиноватости и пористости.
Кроме прочности на сжатие к одним из основных свойств скальных грунтов относятся сопротивление их сдвигу и водопроницаемость. Водопроницаемость скальных грунтов зависит от степени их трещиноватости и пористости. Монолитные скальные породы практически водонепроницаемы.
б) полускальные грунты - также обладают жесткими структурными связями. К ним относятся трещиноватые и выветрелые скальные грунты, в основном осадочные и некоторые метаморфические горные породы. К практически нерастворимым полускальным грунтам относятся опоки, трепелы, диатомиты, алевролиты, аргиллиты, глинистые и некоторые сланцы. Растворимыми грунтами являются гипсы, ангидриты, трещиноватые известняки и доломиты, каменная соль, известковые туфы.
Полускальные грунты достаточно прочны. Предел прочности на сжатие у них колеблется от 50 до 500 кГс/см2. У выветрелых, трещиноватых и закарстованных разновидностей он снижается до 20-25 кГс/см2. В направлении сланцеватости и слоистости прочность их также снижается. Водопроницаемость обусловлена первичной пористостью и вторичной трещиноватостью, кавернозностью, величина которой определяется главным образом размером трещин и карстовых пустот.
в) грунты с мягкими структурными связями. К таким грунтам относятся осадочные глинистые, пылеватые и смешанные породы (глины, суглинки, лёсс, супеси), илы. Свойства этих грунтов определяются их гранулометрическим и минеральным составом, структурой и текстурой. Пористость их обычно высокая до 50-60 %, но водопроницаемость либо незначительна, либо практически отсутствует. Характерной особенностью мягких грунтов является изменение свойств грунта в зависимости от влажности (набухание, пластичность, липкость, просадочность и др.).
г) грунты, не имеющие структурных связей. Эта группа представлена рыхлыми, несвязанными грунтами (гравий, галечник, дресва, щебень, различные пески). Прочность их обусловлена силами трения, пористостью, размерами, формой, составом обломков и уменьшается при увлажнении.
При статических нагрузках слабо или практически несжимаемы.
Рыхлые несвязные грунты не обладают пластичностью, но некоторые разновидности, насыщенные водой могут переходить в плывунное состояние. Обычно водопроницаемы, не влагоемки или слабовлагоемки, обладают капиллярными свойствами. Пористость их 35-40 % иногда 40-50 %, угол внутреннего трения 30?-35?.
д) искусственные грунты. Искусственные грунты – это грунты, сформировавшиеся в результате деятельности человека. Они подразделяются на культурные – сформировавшиеся на месте древних и современных поселений человека и техногенные образования. Последние возникли и формируются под действием инженерной деятельности человека (терриконы, грунты в теле дамб, насыпей, шлаковые отходы и др.).
По составу они обычно связные или слабосвязные.
В заключение следует отметить, что грунты всех классов со временем могут изменяться под действием природных геологических факторов и деятельности человека. При этом свойства грунтов, как правило, ухудшаются.
5.2 Основы инженерной геодинамики
Отрасль инженерной геологии, изучающая геологические процессы и явления с целью их количественной оценки и прогноза, установление их динамики и интенсивности развития, влияния на окружающую среду и сооружения, называется инженерной геодинамикой. Инженерно-геологическими называются процессы, которые возникают в природе в результате вмешательства человека, а инженерно-геологические явления – результат инженерно-геологических процессов. Среди современных инженерно-геологических процессов наибольшего влияния заслуживают те, которые сопровождаются интенсивным изменением состава и строения или разрушением горных пород, мощными динамическими воздействиями на горнотехнические сооружения. Это гидродинамическое давление в грунтах, когда подземные воды находятся в движении и кроме действия гидростатического давления возникает действие гидродинамического давления на частицы породы. При напорных градиентах, больших критического, грунт увлекается и уносится водой. При этом возникают явления выноса частиц грунта – суффозия, плывуны.
Суффозия – это процесс выноса частиц породы из массива грунта под действием подземных вод, вызывающий оседание поверхности земли. Горные породы, подверженные суффозии, водонасыщены, и возможность выноса отдельных частиц определяются их размерами, минералогическим составом, скоростью фильтрации движущейся воды и величиной гидродинамического давления. Так как процесс суффозии заключается в переносе мелких частиц породы через поры между крупными частицами, то большое значение имеет размер пор. Различают механическую и химическую суффозию. Первая происходит в рыхлых насыщенных водой и мягких связных грунтах при повышении напорного градиента в фильтрационном потоке до некоторых величин.
Химическая суффозия практическое значение имеет в таких растворимых породах, как карбонаты, сульфаты и галоиды. В результате растворения водой составных частей пород в последних образуются пустоты – возникает карст. Химическое воздействие протекающей воды с породой может усиливаться или ослабляться в зависимости от состава воды и породы. Так, например, наличие в воде хлористого натрия резко повышает растворимость гипса, а вода, содержащая хлористый магний, практически не растворяет гипс. Особое значение имеет содержание в воде свободной углекислоты, которая, соединяясь с карбонатами, создает растворимые двууглекислые соединения вида Ca(HCO3)2. Другими показателями интенсивности карстообразования являются количество и скорость протекающей воды, т.е. условия фильтрации.

Плывуны. При вскрытии некоторых насыщенных подземными водами грунтов, преимущественно рыхлых, несвязных, а иногда и мягких связных песчанисто-пылеватых, происходит движение всей грунтовой массы в направлении действия напорного градиента. Этот процесс получил название плывучести. Грунты, насыщенные водой и обладающие этим свойством, называют соответственно плывунами. При вскрытии плывунов котлованами, карьерами, скважинами, стволами шахт происходит вынос насыщенного водой грунта; в результате в массиве грунта около выработок образуются пустоты и ниши. В следующей стадии происходит деформация поверхности земли с образованием опусканий и провалов различных размеров и глубины.
Проходка в плывунах шахтных стволов и горизонтальных выработок осуществляется с помощью специальных мероприятий: капитального крепления слабых участков выработок и дренаж водоносных горизонтов с помощью вакуумфильтров. Осушенный плывун разрабатывается легче – уменьшается его объемный вес, облегчается труд горнорабочих, повышается норма выработки и др.
Одним из методов закрепления плывучего грунта является последовательное нагнетание жидкого стекла и раствора хлористого кальция. Однако этот метод возможен для грунтов с малым коэффициентом фильтрации пород (от 2,0.10-3 до 9,0.10-2 см/с). Более эффективно совместное применение электроосмотической фильтрации и нагнетания твердеющих растворов. Очень эффективен метод замораживания. Однако, недостатком этого метода является временный характер. При защите от плывунов котлованов, тоннелей, карьеров и шурфов от заплывания применяют кессоны; шпунтовые стенки, забивную крепь, опускные колодцы.
а – «зарядка» вакуум-фильтра;
б – работа вакуум-фильтра;
в – совместная работа вакуум-фильтра с аэрирующей скважиной;
1 – глины;
2 – пески водоносные;
3 – угольный пласт
Рисунок 5.1 – Схема осушения плывунов вакуум-фильтрами (по С.В. Троянскому)

Прорывы плывунов имеют место при явлениях сдвижения пород, при пересечении зон повышенной раздробленности пород, уменьшения мощности водоупорных пород в почве и кровле и на участках с повышенными напорами подземных вод. Возникают внезапно, но протекают с различной интенсивностью в зависимости от местных геолого-гидрогеологических условий. При проходке горных выработок приходится вынимать грунта-плывуна в несколько раз больше, чем объем выработки.
Оползни. Потерявшие связность мягкие связные грунты текучей или мягкопластичной консистенции, слагающие склон или откос, могут оползать. Смещение их происходит как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Оползание может происходить также по поверхности раздела грунтов при слоистой толще и уклоне слоев в сторону откоса. Скорость смещения грунтов при этом различна. Условия, в которых чаще всего развиваются оползни, определяются рельефом, геологическим строением, а иногда и новейшими тектоническими движениями. Оползни возникают под влиянием силы тяжести в связи с изменением физических свойств грунтов при участии поверхностных и подземных вод, атмосферных агентов, а также деятельности человека.
Для борьбы с оползневыми явлениями применяется сложный комплекс противооползневых мероприятий, базирующихся на детальном изучении природной обстановки.
Просадка. При увлажнении мягких связных макропористых грунтов (лессов и лессовидных суглинков) происходит разрушение некоторых структурных связей (кристаллизационных и водноколлоидных) и уменьшение пористости. В результате возникает неравномерное уплотнение грунтов – просадка и, как правило, в толще просадочных грунтов образуются трещины. Эти грунты характеризуются высоким содержанием пылеватых частиц (до 80-85 %), высокой пористостью.
Главные факторы возникновения просадочных явлений – это генезис и последующие условия существования грунта, его гранулометрический и минеральный составы, влажность, пористость, давление от сооружений, длительность увлажнения, состав и свойства увлажняющей среды. Для предупреждения опасных и нежелательных для сооружений деформаций просадочных грунтов проводят мероприятие по улучшению свойств лессовых грунтов: механическое уплотнение с помощью трамбующих устройств, предварительное их замачивание и др.

Осадка. Сооружения оказывают на грунты вертикальное давление (вес сооружения) и горизонтальное (от действия ветра) воздействие динамических нагрузок. Все эти факторы, а также изменение температуры (замерзание, оттаивание) и влажность грунта могут вызвать сжатие сооружений и их осадку. Осадка сооружений может быть равномерной и неравномерной, допустимой и недопустимой (19). Неравномерная осадка, при которой различные части сооружения испытывают неодинаковую осадку, приводит к их деформации. Допустимая осадка для отдельных типов сооружений устанавливается специальными техническими условиями при проектировании сооружений. При допустимой осадке не происходит деформация архитектурных деталей сооружения.

При строительстве и эксплуатации горных предприятий приходится сталкиваться с проявлением различных геологических процессов, осложняющих освоение и разработку месторождений полезных ископаемых. В отличие от естественных геологических, инженерно-геологические процессы и явления при разработке месторождений характеризуются обычно большей интенсивностью, более быстрым протеканием во времени, ограниченностью площади их проявления и более разнообразным характером.

Особенно разнообразны и опасны по возможным последствиям инженерно-геологические процессы и явления, сопровождающие подземную разработку месторождений. Поэтому, важнейшим принципом эффективности и безопасности подземной разработки является обеспечение максимального соответствия решений инженерно-геологическим условиям.

5.3 Классификация месторождений угля по горно-геологическим условиям
В соответствии с А.М. Гальпериным, В.С. Зайцевым и Ю.А. Норватовым [2] для установления степени сложности горно-геологических условий используют бальную оценку классификационных признаков, в соответствии с которой месторождения разделены на четыре группы (типа): I - простые, II - средние, III сложные, IV – весьма сложные. Месторождения, выделяемые в одну горно-геологическую группу, имеют одинаковый генезис, число угольных пластов и близкие значения горно-геологических показателей разработки. Выделенные группы соответствуют четырем основным стадиям литогенеза угленосных пород: I группа - буроугольной, II группа – переходной от буроугольной к каменноугольной, III группа - каменноугольной, IV группа – графитовой. Стадии характеризуются разной степенью метаморфизма угля и пород, что в свою очередь отражается на соответствующих петрографических и физико-механических свойствах.

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. Причем сложность горно-геологических условий возрастает от подгруппы А к подгруппе В.

В пределах Донецкого бассейна предложено подразделять территорию по условиям вскрытия и разработки шахтных полей отдельно по: 1) условиям проведения горных работ в надкарбоновой толще, где главными признаками горно-геологических условий являются обводненность, устойчивость и мощность покрывающих карбон отложений; 2) условия проведения выработок в каменноугольных породах, где основными признаками является прочность пород, зависящая от степени их метаморфизма.

Для I случая, при наличии надкарбоновой толщи, территория Донбасса подразделена на 3 группы районов: I- со сложными условиями вскрытия, II – с относительно сложными и III – с простыми условиями.
I группа включает районы, где мощность покровных отложений составляет 20-200 м и более и содержащие многочисленные горизонты напорных вод в палеогеновых, юрских и триасовых отложениях. Напоры здесь достигают 80-120 м, иногда до 160 м. II группа – где угленосная толща покрыта меловыми, палеогеновыми и неогеновыми отложениями мощностью до 100-300 м, которые содержат как безнапорные, так и напорные воды. Напоры здесь составляют от 20-30 м до 120 м.
III группа – районы, где угленосная толща либо выходит на поверхность, либо покрыта маломощным чехлом неогеновых (мощностью до 100 м) и четвертичных образований.
В общем гидрогеологические и инженерно-геологические условия благоприятны.
По условиям проведения выработок в каменноугольной толще прослежены три зоны по степени метаморфизма (см. раздел 6).

5.4 Изменение геодинамической обстановки при подземной разработке угольных месторождений
Горные породы в условиях естественного залегания находятся в соответственно напряженном состоянии, т.е. в состоянии равновесия. В силу многочисленных естественных причин (состава и строения массива горных пород, физического состояния, гидрогеологических условий и пр.) происходит перераспределение напряжений и их разгрузка. Несмотря на то, что все возникающие при этом геологические явления имеют геологическую природу, определенное внимание на их течение и развитие оказывают и горнотехнические факторы. Любые подземные работы – проходка горных выработок, шахт, шурфов, штолен, скорость и последовательность проходки, размеры выработанного пространства нарушают равновесное состояние горных пород и приводят к различным их деформациям.
Наибольшие значения и опасность при разработке угля подземным способом имеют явления сдвижения горных пород над выработанным пространством, горное давление, горные удары, разуплотнения, расслаивания, обрушения, оплывания, выпирания, газодинамические явления и пр. Зона влияния горных работ на месторождения полезных ископаемых захватывает огромные пространства геологической среды, а возникающие здесь процессы нарушают устойчивость горных выработок, требуют специальных способов проходки и специальных видов их крепления, других инженерных мероприятий. Поэтому оценка и прогноз инженерно-геологических условий месторождения должны основываться на учете и изучении как природных, так и горнотехнических факторов.

5.4.1 Сдвижение горных пород в массиве
При освоении месторождений угля и других видов полезных ископаемых основным объектом инженерно-геологического изучения являются массивы горных пород.
Массив горных пород – это находящийся в сфере инженерного воздействия участок земной коры, который составляет некоторую геологическую структуру или ее часть, характеризующуюся определенным литологическим составом и внутренним строением. Составляющие напряженности массива зависят от петрографических и структурных особенностей и физико-механических свойств пород. При подработке земной поверхности геодинамические процессы охватывают всю вышележащую над горными выработками толщу горных пород, вызывая оседание, провалы поверхности в границах так называемой мульды сдвижения.
Процесс сдвижения толщ горных пород начинается обычно с их прогибания в кровле горных выработок. По мере увеличения площади выработанного пространства, особенно при близком взаимном расположении выработок на разных горизонтах, прогиб слоев увеличивается и в сдвижение вовлекаются все большее число слоев, пачек слоев, свит и толщ, происходит сдвиг пород по поверхностям напластования. При этом в зоне, непосредственно прилегающей к кровле горных выработок, наряду с расслоением и опусканием пород повышается их раздробленность и они обрушаются.

Процесс оседания и сдвижения горных пород, достигая поверхности Земли, вызывает ее деформации и формирование мульды сдвижения. Причем оседание участков поверхности в зоне сдвижения неравномерно и увеличивается от ее границ к центру. Высота зоны обрушения составляет от 2-х до 6-ти кратной мощности вынимаемого пласта. Выше последовательно располагается зона трещинообразования, высотой 20-40 кратной мощности пласта.

На угольных месторождениях с горизонтальным или пологим залеганием пластов при разработке с обрушением кровли отношение высоты зоны обрушения (hобр). к мощности вынутого пласта m, как правило не превышает 5, т.е. При крутом залегании пород это соотношение больше. Таким образом, величина сдвижений земной поверхности находится в прямой зависимости от вынимаемой мощности пласта и площади выработанного пространства и в обратной – от глубины ведения горных работ и способа управления кровлей.

В результате неравномерности перераспределения напряжений в мульде сдвижения возникают горизонтальные (сжатие и растяжение) и вертикальные (наклоны, кривизна) деформации, что приводит к повреждению инженерных сооружений вплоть до их разрушения, к 5.2 – Схемы оседания и сдвижения подработанных толщ пород, залегающих: а – горизонтально; б – наклонно; в - крутонаклонно образованию оползней, заболачиванию и затоплению больших площадей, к прорывам воды в горные выработки при подработке старых затопленных горных объектов и мощных водоносных горизонтов, образованию плывунов и прочим явлениям. Для защиты зданий и сооружений, охраны территорий от вредного влияния сдвижения горных пород применяют различные мероприятия: 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 и пр.

Для уменьшения деформаций земной поверхности производят разработку пластов угля с закладкой выработанного пространства, что уменьшает деформации земной поверхности на 50-90 %; применяют камерную систему разработки с закладкой камер – уменьшает на 90-95 %. Горные меры включают также частичную отработку пласта по площади (уменьшение длины лав и размеров выработанного пространства по простиранию), уменьшающую деформации на 40-45 %; разработку пластов в свиты с разрывом во времени более продолжительном, чем процесс сдвижения горных пород, оставляют предохранительные целики.

5.4.2 Горное давление В результате действия главным образом гравитационных и тектонических сил, а также изменения температуры верхних слоев земной коры в массиве горных пород, возникают напряжения на поверхностях контакта порода-крепь. Давление, передаваемое горными породами при их перемещении (сдвижении), деформациях и разрушении на крепь, целики, предохранительные слои, стенки горных выработок и другие конструктивные элементы, называется горным давлением. Таким образом, горное давление может возникать только при наличии горных выработок. Наиболее общей формой проявления горного давления является формирование нагрузки на крепь, горные удары, газодинамические явления.
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 массива и свойств горных пород, глубины залегания, физического состояния и тектонических условий, степени обводненности и др. Из горнотехнических факторов первостепенное значение имеют размеры и форма горных выработок, система, способ и скорость проходки, глубина, заложение и их назначение (подготовительные, капитальные, очистные). Причем горное давление в капитальных и подготовительных выработках отлично от горного давления в очистных забоях. Это связано с обнажением пород на больших площадях и наличием постоянного перемещения с забоя. Угольный пласт впереди забоя является опорой для кровли, поэтому в нем возникают повышенные нормальные напряжения или опорное давление, вызывающее частичное разрушение и выдавливание призабойной части пласта (отжим угля). В кровле очистных выработок основным видом смещений пород является прослойный изгиб с образованием зазоров и щелей между слоями (расслоение и отслоение горных 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

Развитие горного давления во времени характеризуется значительной интенсивностью в начальный период (месяц-полтора), затем оно постепенно стабилизируется. Б.В. Смирновым (16) установлены наиболее общие закономерности проявления горного давления и напряженно-деформированного состояния горных пород при проведении в них горных выработок: 1) максимальная концентрация механических напряжений обычно проявляется на контурах выработок, особенно на их углах; 2) в случаях, когда горизонтальные размеры выработок больше, чем вертикальные, в их кровле и почве возникают участки растяжения, тогда как при отношении вертикального и горизонтального размеров 5:1 в кровле и почве могут существовать только сжимающие усилия; 3) перед очистными забоями в пластах углей и вмещающих породах развивается наиболее интенсивное опорное давление, которое начинает проявляться в 50-60 м впереди фронта очистных работ и достигает максимума в 2-10 м от него, особенно в предохранительных целиках, где концентрация напряжений тем больше, чем меньше их размеры; 4) абсолютные величины опорного давления и размеры области его проявления возрастают с увеличением глубины разработки; 5) при прочных породах кровли опорное давление распространяется в глубь массива, чем при слабых породах; 6) наибольшие концентрации напряжений в разрабатываемых пластах проявляются в случаях, когда их почва и кровля представлены механически неоднородными толщами; 7) концентрация напряжений в зоне опорного давления обратно пропорциональна углу падения пластов; 8) горное давление в породах, подверженных набуханию, на обводненных участках выше, чем на необводненных и др. Следовательно, разнообразие факторов, определяющих развитие горного давления свидетельствует о том, что проявление его различно в различных геологических условиях, в пространстве и во времени.

1 – основная кровля; 2 – непосредственная кровля; 3 – угольный пласт; 4 – выработанное пространство; 5 – эпюры опорного давления Рисунок 5.4 – Обрушение основной кровли над чистой выработкой (по А.А. Борисову)

Чтобы не допустить массового обрушения пород (рисунок 5.4) в призабойное пространство с разрушением крепи, применяют различные способы управления горным давлением. Например, полное обрушение и закладку выработанного пространства, которая препятствует прогибу слоев кровли, ликвидируя чрезмерные изгибающие моменты и возможность обрушения. Для обрушения прочности несущих элементов подземных сооружений и выбора способа управления горным давлением производят предварительный его расчет.

5.4.3 Горные удары. Горный удар – это мгновенное освобождение упругого сжатия горных пород, сопровождающееся быстрым разрушением предельно напряженных участков полезного ископаемого и горных пород, прилегающих к подземной горной выработке. Сопровождаются выбросом пород в горную выработку, сильным звуковым эффектом, возникновением мощной воздушной волны и сотрясением пород. Разрушение происходит лавинообразно и совершается образованием устойчивой по форме полости при подпоре со стороны выброшенных пород. Проявляются горные удары обычно в краевых частях подготовительных и очистных выработок, в целиках, на глубинах свыше 200м и по разрушительной силе, внезапности проявления исключительно опасны. В зависимости от интенсивности проявления и вызываемых последствий в качестве локальных проявлений горных ударов различают стреляние пород, микроудары и толчки.
Стреляние горных пород – это быстрое откалывание и отскакивание кусков породы от обнаженной поверхности горных выработок, сопровождающееся звуковым эффектом, возникающее вследствие их хрупкого разрушения при соответствующем напряженном состоянии. Стреляние горных пород может являться признаком возможных горных ударов. Микроудары характеризуются разрушением горных пород и пластов угля в пределах сравнительно небольшого объема геологического пространства при быстром их выбросе в горную выработку.

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).
Сопровождаются обычно резким звуком, образованием пыли, сотрясением горных пород и усилением газовыделения в газоносных породах. Толчками принято называть горные удары, проявляющиеся в разрушении угленосной толщи за пределами контуров выработок без их выброса в горную выработку. Установлено, что удароопасность тесно связана с прочностью и структурными особенностями пород кровли и угольных пластов, углами падения и глубинами разработки. Чем ниже прочность угля и круче углы падения пород, тем меньше глубина выработки разработки, при которой возникают горные удары. Удароопасность повышается с увеличением глубины при наличии разрывных нарушений, разделяющих массив на крупные блоки. Установлено также, что удароопасны в основном песчаники, известняки, пластовые жилы изверженных пород с пределом прочности на сжатие до 100 мПа, при мощности пластов 10 м и более, залегающие на глубине более 500 м. Их горнотехнических условий первостепенное значение приобретают высокое горное давление на отдельных участках, условия вскрытия и система разработки, неправильное ведение горных работ в целом.

5.4.4 Газодинамические явления
Газодинамические явления – это быстропротекающие геологические явления в виде разрушения газоносных пластов углей (руд) и горных пород в призабойных частях подготовительных и очистных выработок, сопровождающиеся повышенным выделением газа и перемещением или выбросом разрушенных масс в выработку.
Горные породы угольных месторождений содержат следующие природные газы: метан, углекислый газ, азот, тяжелые углеводороды (этан, пропан, бутан, пентан, гексан и их соединения), водород, окись углерода, сероводород и инертные газы (гелий, неон, аргон и др.). Наиболее распространенными газами являются метан, углекислый газ и азот, определяющие газоносность месторождения. Остальные газы встречаются в виде примесей. В генетическом отношении газы угольных месторождений неразрывно связаны с накоплением и со всей геологической историей формирования угленосной толщи. Считается, что основным источником возникновения газов являются биохимические процессы, выражающиеся в разложении и углефикации скоплений органического вещества.

Выделяются газы (в основном метан и углекислый газ) через свободную поверхность пласта и из отбитого угля. Различают газовыделения: обыкновенное – происходящее медленно, но непрерывно из трещин и пор в угле и породах; суфлярное – местное концентрированное выделение газа из природных или эксплуатационных трещин с дебитом 1м3/мин и более на участке выработки протяженностью до 20м и внезапное – местное интенсивное выделение больших количеств газа в короткий промежуток времени, сопровождающееся разрушением призабойной части угольного пласта (рисунок 5.6).
Рисунок 5.6 – Схема внезапного выброса угля и газа из забоя в подготовительную выработку

При этом в горную выработку выносится от нескольких тонн до десятков и сотен тысяч тонн угля на расстояние до 40-500 м и более и от десятков до сотен тысяч метров кубического газа.
Самый мощный в мире внезапный выброс – 14 тыс.т выброшенной массы угля и около 600 тыс.м3 метана произошел в 1968 г в Донбассе на шахте им. Ю. Гагарина при вскрытии квершлагом крутого пласта угля, мощностью 1,3 м на глубине 750 м. Квершлаг засыпало углем на протяжении 650 м.
Внезапные выбросы угля и газа происходят в основном на глубинах более 250 м, в основном на пластах мощностью от 0,5 до 2,5м, при этом, чем больше мощность угольного пласта, тем выше средняя интенсивность выброса. С увеличением глубины разработки частота и сила их возрастает. Установлена также неравномерность в распределении газов в угленосной толще. Выделяются (сверху вниз): зона газового выветривания, зона азотно-углекислых газов и углекисло-азотных газов (практически не содержат метана), зоны метаново-азотные и азотно-метановые (с газообильностью выработок 2-3 м3/т с.д., иногда 10-15 м3/т с.д.). Граница между зонами углекисло-азотных и метаново-азотных фиксируется как «глубина первого проявления метана». Ниже располагается зона метановых газов. Однако, газовая зональность на угольных месторождений не всегда прослеживается четко. Мощность отдельных газовых зон колеблется по вертикали от нуля до сотен метров. Газовые шахты в зависимости от газообильности разделяются по метану на 4 категории (таблица 5.2). Предупредительными признаками внезапных выбросов угля и газа являются: выжимание угля или породы из забоя, повышенное горное давление, удары и трески различной силы и частоты, шелушение забоя, появление пылевого облака и усиленное газовыделение.

Таблица 5.2 Категория по газу (метану) Количество метана м3/т с.д. угля I II III Сверхкатегорийная До 5 От 5 до 10 От 10 до 15 Более 15 м3, а также шахты, разрабатывающие пласты, опасные по выбросам и суфлярам

Внезапные выбросы газа и угля развиваются в определенных геологических условиях. Главнейшим из них являются: степень газоносности углей и горных пород, повышенное давление газа, мощность угольных пластов, марка углей и другие геологические и гидрогеологические (необводненность угленосных толщ и низкое значение естественной влажности горных пород и углей) факторы. Наиболее часто внезапные выбросы происходят на пластах углей марок ПЖ, К, ОС и Т, реже марок А и Г. Из горнотехнических факторов – это глубина разработки, степень изменения естественной напряженности горных пород и др.
Мерой природной газоносности (или газонасыщенности) горных пород является количество газа в м3/т твердого вещества. Относительная газообильность – объем выделяющегося газа в горные выработки в единицу времени, отнесенный к одной тонне среднесуточной добычи угля (м3/т с.д.). Газодинамические явления характерны для многих угольных месторождений Донбасса, Кузнецкого, Карагандинского и Печерского угольных бассейнов, Дальнего Востока и Сахалина. Мероприятия по предупреждению развития газодинамических явлений включают: дегазацию неглубокими скважинами, опережающую отработку защитных пластов; увлажнение путем нагнетания воды в пласт; столбовую систему разработки, полное обрушение на пологих пластах и полную закладку на крутых; гидровымывание опережающих полостей и щелей, применение опережающей крепи и др.
Обрушение горных пород в выработанное пространство – это сдвижение горных пород, покрывающих пласт угля с отделением кусков, глыб и блоков и их вывалом в горную выработку. Обрушение может быть вызвано принудительным воздействием на массив горных пород взрывом или долговременным влиянием природных факторов (действием подземных вод, температуры, выветривания); толчков, возникающих при горных ударах, внезапных выбросах угля и газа, пород.
По способности отслаиваться при ведении горных работ выделяют непосредственную, ложную и основную кровли. Непосредственная кровля – слой, пачки слоев небольшой мощности, залегающие в кровле горных выработок непосредственно на пласте угля, не сохраняющие устойчивость в призабойном пространстве без крепи и обрушающиеся вслед за удалением крепи. Ложная кровля – слои и пачки слоев непосредственной кровли, обрушающиеся одновременно с их подработкой при выемке угля. Ложная кровля может составлять часть и всю непосредственную кровлю, достигая мощности 0,6-1,0 м, редко 1,5 м. Обычно она представлена аргиллитами, углистыми аргиллитами или алевролитами кучерявой и комковатой текстуры, редко слабыми песчаниками и известняками.
Основная кровля – слои и пачки слоев, залегающие на непосредственной кровле или на слое угля, имеющие достаточную устойчивость и свойство обрушаться только после их подработки на значительной площади, т.е. когда площадь обнаружения в горной выработке достигает критического значения. Основная кровля может обрушаться через некоторое время после обрушения непосредственной кровли.
где 1 – основная кровля; 2 – непосредственная кровля; 4 – ложная кровля; 5 – выработанное пространство; 6 – пути движения подземных вод Рисунок 5 7 – Осадка и зависание основной кровли (по Б.В. Смирнову)

Обрушение пород кровли может произойти и в результате их нарушенности трещинами, как естественными, так и искусственными. Причем на устойчивость пород влияет угол встречи – угол, образованный преобладающим направлением трещиноватости и линией забоя. При совпадении этих направлений пластовые отдельности пород склонны к прогибанию и зависанию вдоль забоя. При значительном прогибании породы по трещинам разделяются на плиты и обрушаются.
Для безопасности ведения работ, по наблюдениям на шахтах угол встречи направления трещиноватости и линии забоя должен оставлять не менее 10-15 %.
Устойчивость пород кровли определяется структурой и физико-механическими свойствами пород, величиной возникновения в них напряжений. По этим показателям в кровле выработок выделяют породы весьма устойчивые – допускающие весьма большие площади обнажения и не требующие поддержания; устойчивые – допускающие значительные обнажения и требующие крепления лишь в отдельных местах; средней устойчивости - допускающие обнажение на относительно большой площади без поддержания вслед за выемкой. Необходимость поддержания этих пород возникает не сразу, а со временем; неустойчивые породы – допускающие небольшие по площади обнажения кровли и боков выработки и требующие прочного поддержания непосредственно за выемкой; весьма неустойчивые – не допускающие обнажение кровли и боков выработки без крепления (сыпучие, рыхлые и плывунные породы).

Согласно Б.В. Смирнову максимально допустимые площади (мг) незакрепленного пространства при различных типах кровель для Донбасса составляют: неустойчивые – 6; средней устойчивости – 6-12; устойчивые – 12.
5.4.5 Вывалы горных пород
Вывалы горных пород – местное выпадение отделившейся от массива части горных пород или угля, преимущественно из кровли горных выработок при наличии в массиве зон дробления, слоистости, трещиноватости и пр. Обычно вывалы образуются в призабойной части выработок по мере продвижения забоя, при удалении или перестановке крепи, в выработанном незакрепленном пространстве.
где а – при сочетании трещин; б – при сочетании трещин, поверхности слоистости и других поверхностей и зон ослабления. Тонкие линии – трещины, поверхности слоистости Рисунок 5.8 – Формирование горного давления при образовании вывалов в скальных и полускальных породах В результате образования вывалов в кровле подготовительных и очистных выработок образуются пустоты, имеющие форму куполов, обращенных вершиной вверх. Высота их обычно 0,5-0,6 м, реже 157 составляет 1,0-2,0 м мощности слоев и пачек непосредственной кровли, иногда и ложной кровли. В осадочных породах купола в кровле выработок могут возникать на участках недостаточной сцементированности, размягчения, осыпания и прочих признаках изменения горных пород при их обнажении.

5.4.6 Разуплотнение и расслаивание горных пород
При вскрытии горных пород горными выработками и карьерами происходит их разуплотнение, т.е. образование по контуру горных выработок зоны повышенной трещиноватости в результате раскрытия скрытых и закрытых трещин и образование новых.
Трещины разуплотнения развиваются более или менее параллельно обнаженной поверхности пород, образуя зоны ослабления. Наиболее четко выражены такие трещины вблизи дневной поверхности, с глубиной более редки и менее четкие.
Разуплотнение горных пород часто сопровождается другими явлениями – расслаиванием, оползанием, обрушением, осыпанием и др. Расслаивание пород обусловлено степенью слоистости осадочных пород с образованием пластовых отдельностей в кровле горных выработок. Пластовые отдельности могут обрушаться за продвижением забоя при выемке угля или перестановке крепи или зависать в кровле на расстоянии нескольких метров от забоя до 3-4 м.

5.4.7 Выдавливание (пучение) пород
В отличие от опускания и обрушения, выдавливание проявляется в смещении пород не только в направлении действия силы тяжести, т.е. сверху вниз, но и по другим направлениям, от периферии к центральной части выработанного пространства.
Характерной формой выдавливания пород при подземной эксплуатации месторождений является пучение почвы разрабатываемых пластов, что выражается в подъеме пород, подстилающие пласты угля, после его выемки. Чаще всего выдавливание наблюдается в подготовительных выработках-штреках. В Донецком бассейне это явление характерно для 54 %, в Кузнецком – около 27 % от общего числа штреков, находящихся в зоне влияния очистных выработок.

Пучение почвы пласта полезного ископаемого обусловлено в основном действием горного давления. Вызывает деформации горных выработок, деформации и разрушение крепей и иногда приводят к полному их разрушению. Данные наблюдений свидетельствуют, что явление выдавливания (пучения) связано в основном с разнообразными глинистыми породами – глинами, аргиллитами, алевролитами, редко с глинистыми песчаниками, особенно при их увлажнении, размокании и размягчении, в зонах тектонических нарушений.

По склонности к пучению В.В. Фроммом выделены следующие категории пород, слагающих почву горных выработок: 1) весьма устойчивые, пучение которых не происходит; 2) устойчивые – пучение в течение трех лет не превышает 0,1 м; 3) относительно устойчивые – пучение в течение 3 лет не превышает 0,3-0,5 м; 4) неустойчивые – пучение составляет 0,5-1,0 м; 5) весьма неустойчивые – пучение более 1,0 м, при этом выработка полностью запечатывается в течение 4-6 месяцев.

Другим фактором развития этого процесса является увеличение глубины расположения горных выработок до 300-400 м, наряду со степенью литификации глинистых пород (влажности, плотности, прочности). На глубинах 600-700 м выдавливание горных пород почвы наблюдается на всех без исключения выработках и тем интенсивнее, чем на большей глубине они расположены. К числу проявления выдавливания относится и отжим ложной кровли в очистных забоях еще до выемки угля.
Длительность процесса деформации пород почвы может быть различной в зависимости от их напряженного состояния и физико-механических свойств в Донбассе смещения в крепких породах заканчиваются через 6-9 месяцев, в породах средней прочности и слабых – через 12-24 месяцев.
Отжим угля и горных пород – выдавливание угля (породы) в массиве (целике) в сторону выработанного пространства, сопровождающееся его постепенным разрушением, отслаиванием. Происходит под действием горного (опорного) давления в краевой части пласта, находящегося в перенапряженном состоянии. Зависит как от условий образования угольных пластов, так и от условий их отработки. Явление отжима характерно для различных глинистых пород и углей. Наблюдается на средних и больших глубинах, облегчает выемку угля, однако требует определенного внимания, так как создает трудности для охраны выработок.

Оседание пород. Оседание почвы подземных выработок проявляется в виде неупругих деформаций пород почвы под воздействием механических нагрузок, передаваемыми элементами крепи и другими видами шахтного оборудования.
Породы считаются слабо оседающими при преобладающем погружении строек, диаметром около 150 м менее чем на 15 см и интенсивно оседающими – при большем погружении.

6 ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КАМЕННОУГОЛЬНЫХ УГЛЕНОСНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ДОНЕЦКОГО БАССЕЙНА

7 ОХРАНА И РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ В УГЛЕДОБЫВАЮЩИХ РАЙОНАХ