Литологическая и инженерно-геологическая характеристика горных пород

Все горные породы участка можно разделить на 4 группы: рыхлые четвертичные отложения, не затронутые выветриванием коренные горные породы, выветрелые коренные породы, горные породы особого состава и состояния – “горельники”. Краткая характеристика этих пород приводится ниже:

Р ы х л ы е ч е т в е р т и ч н ы е о т л о ж е н и я залегают на выветрелых горных породах шахтного поля. Мощность отложений непостоянна и колеблется от первых метров до 40-50м. По гранулометрическому составу четвертичные отложения подразделяются на суглинки и глины, причем суглинки характерны для верхней части разреза, а глины преобладают в нижней его части. Суглинки и глины обычно бурого цвета с серыми или желтоватыми оттенками за счет гидроокислов. На возвышенных участках рельефа они имеют лессовидный характер и слабообводнены, в долинах же речек и логов – иловатые, водонасыщенные, имеют характерный синий цвет – “синюха” и обладают высокой эластичностью и текучестью. Глинистые минералы представлены гидрослюдами и каолинитом. Суглинки отличаются от глин повышенным содержанием кластического материала(кварц, полевые шпаты, эффузивное стекло) и включениями карбонатных стяжений. Породы среднепластичные (число пластичности «I» 8-15%), в основном твердой и полутвердой консистенции (число консистенции В от -0,9 до +0,12). Показатели физико-механических свойств приводятся в таблице 7.1.

Таблица 7.1

Физико-механические свойства рыхлых отложений

Наименование породы	Влажность естественная, %	Плотность, г/см³	Гранулометрический состав, %	Показатели пластичности, %
Объемная масса	Минеральной части	Песчаные 1,0-0,05 мм	Пылеватые 0,050-005 мм	Глинистые < 0,005мм	Граница текучести	Граница раскатывания	Число Пластичности
Глины пылеватые	16,26-19,15 17,63	2,06-2,12 2,09	2,62-2,67 2,65	26,2-28,3 25,4	41,2-35,8 39,1	38,0-30,5 35,5	32 – 36	18 – 22	14 – 15
Суглинки пылеватые	13,13-24,14 19,50	1,91-2,08 2,00	2,58-2,62 2,60	14,8-39,7 22,6	40,2-69,0 60,5	11,9-20,1 16,9	29 – 35	20 – 26	8 – 9
Суглинки тяжелые	21,04	2,01	2,63	51,1	21,2	27,7

Установлена зависимость общей пористости рыхлых пород от консистенции. Пористость пород твердой консистенции (показатель консистенции В<0) несколько ниже и в среднем имеет значение 37,69 % при крайних значениях от 34,31 до 41,39 %. Породы полутвердой консистенции (показатель консистенции В>0) более пористые с общей пористостью 43,09 % с колебаниями значений от 39,56 до 51,27 %.

Показатели сопротивления пород сдвигу также существенно зависят от консистенции грунта. При полутвердой консистенции породы характеризуются крайне низкими показателями сопротивления сдвигу: среднее сцепление грунта С_о-0,39 кг/см² при крайних значениях 0,82-0,20 кг/см² и угол внутреннего трения φ-22,6^о при крайних значениях 26,5-16,7^о. Породы твердой консистенции характеризуются значительно более высокими показателями – сцепление грунта С_о-1,10 кг/см² при крайних значениях 1,70-0,60 кг/см² и угол внутреннего трения φ-20,4^о при колебаниях от 26,5 до 11,4^о.

Наиболее увлажненные грунты залегают в нижних частях склонов и в тальвегах логов, поэтому именно в этих местах грунты будут иметь наиболее низкую несущую способность.

Н е з а т р о н у т ы е в ы в е т р и в а н и е м к о р е н н ы е горные породы залегают ниже зоны воздействия агентов физико-химического выветривания на глубинах ниже 50-80м от дневной поверхности. Изучение физико-механических свойств вмещающих пород производилось различными методами: в стационарной лаборатории, в полевой лаборатории и геофизическими методами. По участкам полей шахт «Котинская» и «№7» произведено обобщение результатов изучения физико-механических свойств пород различными методами и их сравнение. [ ] Результаты исследований приводятся в таблице 7.2.

В результате сравнения установлено, что данные акустического каротажа на 30-40% отличаются от определений стационарной лаборатории и достаточно близки к определениям полевой лаборатории. Причины такого расхождения, наряду с погрешностями метода акустического каротажа, вероятно в выборке для лабораторных испытаний относительно более прочных образцов из опробуемых литотипов горных пород. С целью обеспечения требуемых размеров образцов в пробу включаются только монолитные столбики. Кроме того, современными исследованиями установлено, что происходит изменение физико-механических свойств пород после нарушения их естественных условий залегания – происходят необратимые процессы деформации, высыхание, перераспределение и релаксация напряжений.

Следовательно, данные геофизических исследований более объективно отражают физические свойства угленосной толщи и должны учитываться при характеристике физико-механических свойств пород. По данным акустического каротажа отмечаются те же закономерности, что и по лабораторным испытаниям: наибольшими значениями временного сопротивления сжатию и растяжению обладают песчаники и минерализованные породы. Наиболее

Таблица 7.2

Физико-механические свойства пород по шахте «Котинская» и «№7» (по материалам поисково-оценочных работ и разведки 1987-96 гг)

Метод определен	Характеристики физико-механических свойств
К крепости толчением	G_сж МПа	G_раст МПа	Сопротивление сдвигу	Плотность пород, г/см³	Влажн. пород %	Порис- тость %	Скорость прод.волн м/сек	К Пуассо- на	Модуль Юнга, МПах10⁴	Модуль упругости Мпах10⁴
С,кг/см²	ƒ^о	удельн	Объемн
Алевролит мелкозернистый
Лаборатор	5,1	35,5	4,1	59,1	43,6	2,7	2,57	2,65	7,30	-	-	-	-
Полевая	-	18,3	-	-	-	-	2,57	-	-		-	-	-
АК	-	23,6	-	-	-	-	2,51	-	9,40		0,22	2,9	1,8
Алевролит крупнозернистый
Лаборатор	-	47,4	4,9	80,9	40,1	2,69	2,56	2,02	6,08	-	-	-	-
Полевая	-	32,2	-	-	-	-	2,60	-	-		-	-	-
АК	-	33,0	-	-	-	-	2,55	-	7,79		0,24	3,4	2,2
Песчаник
Лаборатор	-	57,4	5,8		38,6	2,69	2,56	1,25	6,08	-	-	-	-
Полевая	-	40,0	-	-	-	-	2,60	-	-		-	-	-
АК	-	46,4	-	-	-	-	2,57	-	6,72		0,26	3,8	2,7
Аргиллит
Лаборатор	6,05	-	-	-	-	2,7	2,6	-	-	-	-	-	-
Полевая	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
АК	-	8,1	-	-	-	-	2,45	-	11,7		0,18	2,4	1,3
Минерализованные породы
Лаборатор	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Полевая	-	83,3	-	-	-	-	2,67	-	-		-	-	-
АК	-	68,8	-	-	-	-	2,62	-	4,8		0,28	4,5	3,7
Углистые породы и уголь
Лаборатор	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Полевая	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
АК	-	19,9	1,7	-	-	-	2,36	-	15,0		0,12	1,7	0,8

низкие же значения присущи углистым породам и углям.

При определении физико-механических свойств горных пород по данным АК при разведке участка «Нижние горизонты шахты Котинская» в качестве эталонных показателей механической прочности пород использовались результаты определения прочности при сжатии, в соответствии с ГОСТ 21153, 0-21153,7 [Породы горные. Методы физических испытаний], произведенные Полевой лабораторией.

Расчет физико-механических свойств горных пород по данным акустического каротажа проводился Каротажной партией ФГУГП «Запсибгеолсъемка» по методике, разработанной во ВНИИГИСе [9]. В результате обработки данных были получены следующие параметры:

- предел прочности на одноосное сжатие;

- предел прочности на одноосное растяжение;

- коэффициент Пуассона;

- коэффициент пористости;

- модуль Юнга;

- модуль сдвига;

модуль объемной упругости;

кажущаяся плотность;

скорости распространения продольных и поперечных волн

Для расчетов использовались материалы по 64 скважинам, 32 из них исследовались дополнительно методами АК+ГГКП. Кроме того, в скважинах, не охваченных АК, по стандартному комплексу ГИС было проведено определение предела прочности на одноосное сжатие по методике ВНИИГеофизика. В качестве исходной информации использованы результаты исследований, полученных как геофизическими методами (КС, ГК), так и материалами Полевой лаборатории по скважине №17013.

Оценка точности определения прочностных характеристик пород осуществлялась способом парных сопоставлений, суть которого сводится к определению расхождений прочностных характеристик, измеренных прямым образцовым (полевая лаборатория) и косвенным (АК+ГГКП или КС+ГК) методами. При этом для оценки точности методики с надежностью 95% необходимое количество сопоставлений должно быть не менее 60. Погрешность определения прочности на одноосное сжатие не превышает 20%, как по методам АК+ГГКП, так и по стандартному комплексу ГИС. Результаты оценки точности определения физико-механичнеских свойств пород геофизическими методами на примере прочности на одноосное сжатие приведены в таблице 7.3.

Таблица 7.3

Погрешность определения прочности на одноосное сжатие по АК(SQ)

и стандартному комплексу (SQck) по всей скважине и по литотипам

Литотип	погр. SQ %	погр.SQck %	ср. SQ-SQck	погр.VP %	пог RHOB %
У	15,21	18,97	23,48	3,62	1,84
АУ	12,87	16,27	21,18	3,82	2,38
АР	17,27	18,09	8,34	4,16	1,27
АМ	18,68	19,78	8,91	7,40	2,15
ПМ	12,12	12,92	6,42	4,87	2,53
П+А	13,43	18,56	19,53	7,30	1,88
ПС	12,58	12,40	2,81	4,64	3,28
АК	18,71	19,36	13,72	5,29	2,05
По скважине	16,66	17,91	10,85	5,67	2,22

В таблице 7.4 приведены средние значения физико-механических свойств пород по всему геологическому разрезу от кровли пласта 62 до почвы пласта 49, расчитаные по методу АК+ГГКП. Основные параметры физико-механических свойств пород участков шахт «Котинская» и «№7», в целом, соответствуют параметрам пород участка «Нижние горизонты шахты Котинская».

Далее приводится краткая петрографическая характеристика горных пород, слагающих толщу угленосных отложений оцениваемой площади:

П е с ч а н и к и серого и светло-серого цвета, характеризуются слабой сортировкой зерен и представлены часто смешанными или переходными разностями, однако при преобладании средне- и мелкозернистых разностей (размер зерен 0,032мм-0,05мм, преобладают 0,1мм-0,18мм). Окатанность обломочного материала песчаников слабая, степень сортировки – средняя или хорошая. Текстура, обусловленая гранулометрическим составом, распределением минеральных зерен и растительного детрита, обычно неравномерно-прерывисто-косо-волнистослоистая, реже субпараллельная или беспорядочно-зернистая. По минеральному составу кластического материала песчаники относятся к полимиктовым - кварц и полевые шпаты, присутствуют также в небольших количествах обломки осадочных, эффузивных и метаморфических пород.

По аналогии с песчаниками соседнего Красулинского месторождения в процентном отношении они распределяются следующим образом:

кварц – 10-20%

полевые шпаты – 5-20%

обломки осадочных пород – 2-23%

обломки эффузивных и метаморфических пород – 10-35%

Акцессорными минералами являются циркон, рутил, корунд, хлорит, мусковит и др.

Таблица 7.4

Физико-механические свойства горных пород по данным акустического каротажа ( ФГУГП «Запсибгеолсъемка», 2007-2008 гг.)

Литологическая разность	Физико-механические свойства:	средневзвешенное значение минимальное – максимальное
кажущ. плотность, г/см³	коэфф. Пуассона	модуль Юнга, 10⁴ МПа	влаж-ность, %	модуль сдвига, 10⁴ МПа	модуль об. упр, 10⁴ Мпа	коэфф. пористости, %	прочность на сжатие, МПа	прочн. на растяж., МПа	скорость расп. Продол. волн, м/сек
Песчаник мелкозернистый	2,56 2,36-2,71	0,25 0,22-0,26	3,57 3,14-3,94	1,42 1,23-1,67	1,42 1,26-1,56	2,46 2,03-2,79	3,30 2,98-3,78	45,93 30,86-60,13	5,28 3,60-5,79	4092 3760-4269
Песчаник среднезернистый	2,56 2,35-2,75	0,25 0,17-0,29	3,65 2,18-4,76	1,39 0,94-2,29	1,45 0,92-1,84	2,62 1,25-3,87	3,22 2,32-4,61	67,15 56,93-81,95	5,96 3,48-8,93	4172 3203-4774
Переслаивание алевролитов	2,49 2,12-2,69	0,22 0,19-0,24	2,92 2,22-3,36	1,83 1,54-2,40	1,19 0,93-1,36	1,78 1,26-2,12	4,08 3,53-4,88	26,47 22,51-31,4	3,97 3,26-4,87	3651 3347-3949
Алевролит мелкозернистый	2,46 2,15-2,66	0,20 0,16-0,21	2,63 2,12-3,02	2,08 1,79-2,52	1,09 0,91-1,24	1,52 1,08-1,80	4,53 4,19-5,30	27,76 17,78-30,92	3,56 2,79-3,83	3430 3067-3576
Переслаивание алевролитов с песчаниками	2,49 2,19-2,27	0,23 0,22-0,26	3,16 2,63-3,46	1,83 1,54-2,40	1,28 1,4-1,07	2,03 1,68-2,36	4,08 3,06-4,46	35,70 27,01-46,18	4,53 3,10-5,71	3842 3644-4231
Аргиллит	2,22 1,32-2,37	0,12 0,03-0,19	1,67 0,89-2,25	3,98 2,28-6,53	0,73 0,4-0,94	0,83 0,33-1,24	7,11 4,5-10,14	33,28 29,74-39,72	2,57 1,85-3,14	2745 1947-3322
Углистый алевролит	1,76 1,30-1,89	0,12 0,08-0,18	1,31 0,75-1,78	3,48 2,74-4,09	0,58 0,35-0,75	0,61 0,30-0,97	5,42 4,53-6,51	10,58 5,62-19,55	2,33 2,10-2,57	2750 2405-3272
Алевролит крупнозернистый	2,49 2,20-2,72	0,23 0,20-0,26	3,13 2,41-3,76	1,67 1,28-2,26	1,27 1,0-1,49	2,00 1,38-2,67	3,77 2,98-4,63	33,21 28,50-38,12	4,43 3,43-5,45	3818 3399-4248
Минерализованные образования	2,64 2,37-2,97	0,23 0,13-0,27	3,41 1,91-4,39	1,60 1,09-2,89	1,37 0,84-1,7	2,27 0,87-3,29	3,73 2,73-6,2	60,82 40,5-79,9	4,80 2,52-7,0	3884,39 2799-4458
Уголь среднее по пластам	1,32 1,26-1,39	0,09 0,08-0,15	0,83 0,74-1,18	3,47 3,15-4,12	0,38 0,34-0,51	0,35 0,30-0,62	4,36 3,91-5,0	7,51 6,70-10,25	2,17 1,99-2,74	2517 2403-3018

Цемент кремнисто-глинисто-карбонатный со значительными вариациями содержания отдельных минеральных составляющих от чисто глинистого до карбонатного. Содержание его колеблется в пределах 20-30%, что обуславливает преимущественное развитие контактово-порового типа цементации.

Песчаники относятся к числу наиболее прочных пород шахтного поля. Лабораторные исследования прочности песчаников на одноосное сжатие показали изменение величин от 200кг/см2 до 1350 кг/см2. Такой широкий разброс показателя прочности объясняется изменением гранулометрического состава обломочного материала, типа минерального состава цемента. Средние показатели sсж песчаников составляют 500кг/см2 -800кг/см2.

А л е в р о л и т ы являются наиболее распространенными породами угленосной толщи. Макроскопически это серые и темно-серые породы слоистой текстуры, обусловленной различием гранулометрического состава и разной степенью обогащения угольным материалом и карбонатами. По величине зерен обломочного материала – от мелко- до крупнозернистых. Сортировка обломочного материала, представленного кварцем(10-25%), полевым шпатом(5-25%), карбонатом(10-20%), обломками осадочных(10-20%), эффузивных и метаморфических пород(1-10%) обычно средняя, реже хорошая, окатанность плохая. Цементирующая масса(15-25%) имеет преимущественно кремнисто-глинистый, карбонатный или же глинистый состав. Текстура слоистая, ориентированная. Иногда в алевролитах присутствует косая слоистость, выделяемая по слойкам растительного детрита. Тип цемента поровый, базально-поровый, иногда замещения. При увеличении количества базального цемента до 40-45% образуются так называемые конкреционные включения, характеризующиеся высокой прочностью и имеющие форму стяжений. Такого рода алевролит сидеритизированный был вскрыт в насосной камере №3 на расстоянии 1,0м от кровли пласта 52.

По своим прочностным свойствам алевролиты занимают промежуточное положение между песчаниками и аргиллитами. Значение прочности на сжатие меняется чаще всего в интервале 200 кг/см²- 400 кг/см².

А р г и л л и т ы в пределах участка имеют ограниченное распространение. Макроскопически представлениы темно-серыми, черными разновидностями с тонкой субпараллельной текстурой. Слоистость обусловлена чередованием слойков различной окраски, зависящей от минерального состава и содержания угольного вещества. Структуры аргиллитов пелитовые, и алевро -пелитовые. По минеральному составу они являются существенно гидрослюдистыми породами с примесью кремнистого, карбонатного и углистого вещества. Характеризуются повышенной трещиноватостью, пористостью и влажностью.

У г л и с т ы е п о р о д ы представлены алевролитами и аргиллитами и отличаются от вышеописанных пород повышенным содержанием угольного вещества(до 60%). Они имеют незначительное распространение и приурочены в основном к кровле, либо почве угольного пласта. Макроскопически - это темно-серая до черного цвета порода, в которой равномерно или в виде вытянутых извилистых включений развит углистый материал. Мощность этих пород незначительна – 0,01-0,3м, вещественный состав углисто-глинистый. По своим физико-механическим свойствам углистые породы относятся к самым слабым вмещающим породам шахтного поля.

Каменные угли шахтного поля характеризуются довольно однородным петрографическим составом. Сложены они полублестящими и блестящими разностями. Структура углей однородная, неяснополосчатая и полосчатая. Уголь хрупкий, плотный, со столбчатой отдельностью. В подавляющем большинстве угольные пласты имеют прослойки, сложенные алевролитом, аргиллитом или их углистыми разностями мощностью от 0,01м до 0,5м. Из минеральных образований в углях отмечены мелкозернистые включения и корочки карбонатов(кальцит, доломит, анкерит) и реже сульфидов(пирит). Каменные угли обладают повышенной трещиноватостью и по физическим свойствам являются слабыми породами.

В ы в е т р е л ы е к о р е н н ы е п о р о д ы отличаются от вышеописанных тем, что они претерпели существенные изменения в физическом состоянии. Нахождение их в зоне выветривания (60-80м от дневной поверхности) обусловило появление повышенной трещиноватости, появление бурых и желтых пленок по трещинам кливажа и плоскости напластования, которые образуются от действия гидроокислов различных элементов. Состав кластического материала и цемента меняется в зависимости от степени выветрелости. В процессе низкотемпературного разложения происходит гидрослюдизация, каолинизация и сидеритизация горных пород. Для всех выветрелых пород характерно существенное снижение прочностных показателей, увеличение пористости и вязкости. По степени воздействия выветривания породы неоднородны по вертикали. На контакте с четвертичными отложениями коренные породы мощностью до первых десятков метров разрушены до состояния дресвы и связаны только глинистым материалом. Нижезалегающие (до глубин 30-40м) выветрелые породы имеют мелкоблочную отдельность и разбиты системами секущих и послойных трещин, чаще всего открытого типа. Еще ниже(до глубин 60-80м) проявление открытой трещиноватости ослабевает, породы приобретают крупноблочную структуру, внешние признаки выветрелости исчезают.

Ведение горных работ в интервале залегания выветрелых пород и пород, так называемой, переходной зоны опасно из-за слабых пород, которые при обнажении подвержены высыпанию. Опасность возникновения аварийных ситуаций в подготовительных выработках, с параметрами обнажения по площади 2-3 м² и времени устойчивого состояния 10 мин, возможна при любых видах крепи. В связи с этим, в зоне выветривания пород горные работы по пласту 52 не проводились. В дальнейшем по другим угольным пластам также не рекомендуется ведение горных работ в зоне выветрелых пород.

В соответствии с Заключением СФ ОАО ВНИМИ №170 от 15.07.2010г (раздел 6) устанавливается верхняя граница зоны безопасного ведения работ, которая при анкерной крепи выработок, применяемой на действующих шахтах «Котинская» и «№7», залегает на глубине 60-80м от дневной поверхности (39). При ведении эксплуатационных работ на меньшей глубине в комплексно-механизированных забоях (КМЗ) часто возникали аварийные ситуации.

При разработке ТЭО кондиций институтом «Кузбассгипрошахт» запасы угля в зоне опасного ведения работ было предложено исключить из подсчета. Однако ГКЗ Роснедра при рассмотрении кондиций воздержалась от исключения этих запасов, в виду неопределенности положения горных выработок на неотработанных пластах. Однако положение подготовительных выработок по пласту 52 на участке, примыкающем к зоне опасного ведения работ уже определено, поэтому запасы угля выше отработанных верхних лав 52-01 и 52-02, залегающие в зоне опасного ведения работ, были исключены из подсчета.

“Г о р е л ь н и к и” представлены углевмещающими горными породами, претерпевшими термический обжиг в процессе подземного выгорания угольных пластов, приуроченных к выходам пластов угля под четвертичные отложения. Типичным отличительным признаком этих пород является ярко-розовый, кирпично-красный и красновато-бурый цвет. “Горельники” имеют нарушенную внутреннюю структуру, крупно- и мелкоглыбовое сложение в результате обрушения в выгоревшее пространство угольного пласта. По своим физико-механическим свойствам они отличаются от “материнских” пород. Термическая закалка обусловила повышение прочности и водостойкости. В пределах оцениваемой площади «горельники» залегают в виде изолированных участков ограниченной площади на водоразделах.

⇐ Предыдущая 26 27 28 29 303132 33 34 35 Следующая ⇒