т а б л и ц а !V-2
Средние значения прочности основных разностей горных пород различной степени литифнкации Донецкого бассейна
(по Н. В. Соннну)
П е с ч а н н к н
П р о ч н о с г ь и а с ж а - |
П р о ч н о с т ь на р а з - |
т и е , М П а |
р ы в . М П а |
Р а й о н в с т е п е н ь л н т и ф и к а ц н н п о р о д
|
|
Е с т е с т - |
|
|
в е н н о й |
|
|
в л а ж н о - |
|
|
CtH |
Участок Г — Привольненский |
глу- |
1 2 - 4 8 |
бокий. Средняя степень литнфикации |
|
|
Участок Ж — К — Мироновский |
глу- |
5 9 - 8 5 |
бокий. Повышенная степень литифн- |
|
|
кации |
|
93—121 |
Участок А — шахта им. Фрунзе. Вы- |
||
сокая степень литифнкации |
|
|
Н а с ы - |
В д о л ь |
П е р п е н - |
д и к у л я р - |
||
щ е н н ы х |
с л о и с т о - |
но к слои - |
водой |
стн |
стости |
8—39 |
4 9 |
2 — 6 |
42—63 |
7—14 |
3 - 7 |
7 0 - 1 0 2 |
1 9 - 2 4 |
9—13 |
П Р О Д О Л Ж Е Н И Е Т А Б Л . IVJ!
А р г и л л н т ы
п р о ч н о с т ь на е ж а . |
||
т и е , М П а |
||
Р а й о н н степень л и т и ф н к а ц н и п о р о д |
|
|
Естест- |
Н а с ы - |
|
в е н н о й |
||
щ е н н ы х |
||
в л а ж н о - |
||
в о д о й |
||
сти |
||
|
||
П р о ч н о с т ь на р а з -
р ы в , |
М П а |
|
В д о л ь |
П е р п е н д в - |
|
к у л я р н о |
||
слоисто - |
К |
с л о и - |
сти |
с |
т о с т и |
Участок г — привольненский |
глу- |
6 - 2 4 |
0—12 |
3 - 7 |
|
0 . 6 - 3 |
бокий. Средняя степень литификации |
|
|
1 - 4 |
|
|
|
Участок Ж — К — Мироновский |
глу- |
2 0 - 3 9 |
0 - 2 7 |
|
3 - 6 |
|
бокий. Повышенная степень литифика- |
|
|
|
|
|
|
ции |
|
|
|
|
|
|
Участок А — шахта им. Фрунзе. Вы- |
3 8 - 4 6 |
2 7 - 3 3 |
5 - 1 |
5 |
2 - 5 |
|
сокая степень ли1нфикации |
|
|
|
|
|
|
Крепость пород угленосной формации соответствует их петрографическому составу и принадлежности к группам полускальных и скальных. Породы средней степени литифнкации, как правило, имеют среднюю крепость, коэффициент крепости равен 3—4. Значительная часть полускальных пород довольно крепкие, коэффициент крепости их достигает 5—6. Песчаники, алевролиты и известняки повышенной и высокой степени литификации крепкие, с коэффициентом крепости выше 6. Крепость аргиллитов ниже, чем крепость других петрографических типов пород, и в отдельных случаях (как иногда и глинистых песчаников) в соответствии с их переходом в полускальные разности малой прочности мала, коэффициент крепости меньше 2. Де-
101
формационные свойства всех рассматриваемых разностей пород (модуль общей деформации десятки тысяч мегапаскалей, коэффициент поперечной деформации ОДО—0,30, реже 0,40) имеют значения, соответствующие их положению в инженерно-геологи- ческой классификации [19].
Итак, в пределах Донецкого бассейна наблюдается четкая зависимость изменения физико-механических свойств основных разностей пород от их состава, строения, физического состояния, других петрографических особенностей и от степени литификации. Обобщенные значения показателя прочности пород характеризуются большим коэффициентом вариации (30— 50%) . Однако, как отмечают многие исследователи, если породы расчленить более детально по их строению (структуре и текстуре), то разброс этих значений в одной группе пород по степени литификации будет более узким.
Под}лтоживая 7:раткую характеристику физико-механических свойств' горных пород' угленосной формации Донецкого бассейна, необходимо отметить следующее.
1. По физическому состоянию и механическим свойствам они являются преимущественно относительно твердыми — полускальными, переходящими с глубиной, с повышением степени литификации, в типичные твердые — скальные.
2. Фиаико-механические свойства основных петрографических типов пород угленосной формации существенно зависят от многих природных и искусственных горнотехнических факторов, поэтому на разных конкретных участках они имеют различные показатели.
3. Крепость пород угленосной формации соответствует их петрографическому составу н принадлежности к группам скальных и полускальных.
IV-5. Фнзико-механические свойства глин угленосной свиты Подмосковного бассейна
В Подмосковном бассейне глинистые отложения занимают значительную часть разреза песчано-глинистой угленосной свиты нижнего карбона. Эта свита почти непрерывно распространена по всему бассейну (рис. IV-7). Главная масса ее представлена глинами, которые прослеживаются по южному и западному крыльям бассейна. Как показывают материалы разведочных и эксплуатационных работ, угли Подмосковного бассейна приурочены, как правило, к толщам глин, свойства которых определяют условия проведения горных работ и устойчивость горных выработок. Почти на всех шахтах и рудниках все нарезные выработки и откаточные штреки проходят здесь исключительно по глинам или по углю, но с подрывкой глин в почве и кровле.
Глины в угленосной свите Подмосковного бассейна по положению в разрезе подразделяются на подугольные, надугольные
102
и межугольные. Подробное петрографическое описание их приведено в ряде работ {17, 18]. При естественной влажности они имеют полутвердую консистенцию, естественная влажность их умеренна и соответствует уплотненным породам. Средняя естественная влажность глин, вскрытых шахтами, изменяется от 18 до 22 %, а скважинами на разведанных участках —от 14 до 16%. Это объясняется тем, что шахты расположены в более южных районах бассейна, где
глины |
и |
связанные |
с ними |
Рязань |
|
угли залегают |
на глубинах |
о |
|||
35—45 |
м. На |
разведанных |
|
||
участках, |
расположенных |
|
|||
несколько |
севернее |
разра- |
Рнс. IV-7. Схематическая геологическая |
||
батываемых, |
угленосная |
||||
свита |
залегает |
на |
глубине |
карта Подмосковного каменноугольного |
|
70—75 |
м. |
Поэтому |
глины |
бассейна. |
|
здесь |
испытывают |
боль- |
|
||
шую гравитационную нагрузку и более дегидратированы. Среднее значение коэффициента насыщения их приближается к единице (0,85—0,96). Коэффициент меньше единицы объясняется их разуплотнением при извлечении с большой глубины.
Как следует из сравнения естественной влажности глин с их влажностью на пределах пластичности, последняя всегда значительно выше. Следовательно, при нарушении естественного сложения глины в большинстве случаев должны обнаруживать полутвердую или твердую консистенцию и реже тугопластичную или пластичную. Значение показателя естественной уплотненности глин Kd почти всегда больше единицы. Все это указывает на повышенную уплотненность глин угленосной свиты Подмосковного бассейна и подтверждает визуальные наблюдения.
Результаты определения плотности и пористости глин показывают, что среднее значение плотности их минеральной части пониженное (2,49—2,62 г/см®), это связано со значительной углистостью. Неоднородность состава (степень углистости) глин хорошо подтверждает и предельные значения плотности минеральной части (2,08—2,69 г/см®). О повышенной уплотненности и соответственно умеренной пористости этих глин свидетельствуют их плотность, плотность скелета и пористость. Средняя плотность глин, вскрытых шахтами, изменяется от 1,93 до
103
2,07 г/смз, а скважинами — от 2,00 до 2,07 г/смз. Соответственно пористость изменяется от 34 до 37 % и от 29 до 32 %. На разведанных месторождениях уплотненность глин выше, чем на разрабатываемых.
Прочность глин соответствует их повышенной уплотненности
иумеренно'й естественной влажности. Среднее арифметическое значение временного сопротивления сжатию достигает 2,1 МПа
иизменяется от 0,15 до 5,0 МПа. Неоднородность механической прочности глин объясняется слоистостью, скрытой трещиноватостью, различной степенью песчанистости и сажистости. Испытания глин естественного сложения и влажности на разрыв указывают на большую неоднородность их и в этом отношении. Многочисленные опыты, выполненные с образцами из разных месторождений бассейна, показывают, что временное сопротивление глин разрыву изменяется от О до 0,90 МПа,
Результаты испытаний глин естественной влажности на сжатие свидетельствуют об их малой деформируемости. Эффективная нагрузка достигает 0,5—0,7 МПа и соответствует природной нагрузке. Коэффициент сжимаемости изменяется от 0,0001 до 0,0007 МПа-'. Относительная деформация в пределах нагрузок 1,0—1,6 МПа измеряется десятыми долями процента (редко превышает 1—2%). Кривые уплотнения и набухания почти сливаются. Следовательно, в пределах нагрузок до 1,0—1,6 МПа остаточные деформации в глинах ничтожны. По данным 189 определений средний модуль общей деформации глин при ориентировке нагрузки перпендикулярно к слоистости достигает 169,0 МПа, а параллельно ей —293,0 МПа. Эти данные указывают на малую степень деформируемости глин в пределах нагрузок, не превышающих их временное сопротивление сжатию. Об этом свидетельствуют также малые значения коэффициентов поперечного расширения (0,11-—0,14) и бокового давления (0,13—0,18).
Сопротивление сдвигу глин естественного сложения и влажности, как у пород достаточно уплотненных, повышенно, но отличается большой изменчивостью. Это связано с наличием в них скрытой трещиноватости, прослойков сажи, угля, с неоднородной их песчанистостью и некоторой изменчивостью физического состояния.
Как известно из опыта эксплуатации Подмосковного угольного бассейна, при поступлении воды в горные выработки, при пуске воды по выработкам, при их затоплении или даже при плохом проветривании и повышении влажности воздуха влажность глин повышается. В результате глины размокают, «раскисают», становятся мягкими, набухают и резко увеличивают давление на крепи выработок, вызывая их деформации. Как показало специальное исследование в различных горных выработках, явное изменение физического состояния глин при поступлении воды в горные выработки, как правило, обнаруживается только до глубины 5—10 см, не более 20—30 см. Повышение же
104
105
влажности глин в процессе эксплуатации горных выработок может распространяться до глубины 1—1,5 и даже 2 м. Это подтверждают наблюдения за изменением влажности глин в шахтах при повторном их обследовании [17, 18].
Повышение влажности глин всегда сопровождается снижением их прочности, устойчивости й набуханием. Набухание глин при впитывании ими воды — один из факторов, способствующих их пучению в выработках. Интенсивность пучения глин зависит от глубины подрывки их в почве выработок н степени увлажнения. С увеличением того и другого интенсивность пучения увеличивается, что способствует их выдавливанию в горные выработки. Данные многочисленных опытов показывают, что общее набухание глин может достигать почти 40 %, но в большинстве случаев оно редко превышало 20%. Как показывают наблюдения, вначале набухание протекает интенсивно, через 3—5 ч от начала опыта процесс замедляется и через 50—60 ч полностью стабилизируется (кривые ложатся почти горизонтально). Если естественная влажность глин выше предела пластичности, нет
оснований ожидать значительного |
их набухания. Чем меньше |
в составе глин песчаных фракций |
и больше пылеватых, тем |
сильнее они набухают. |
|
Для предупреждения набухания глин средняя сдерживаю- ш.ая нагрузка (сила набухания) достигает (МПа): средняя арифметическая 0,47; мода 0,30—0,50; максимальная 1,3; минимальная 0,03. При набухании сильно ослабевает прочность структурных связей глин и поэтому резко увеличивается их деформируемость. Как правило, значительная сжимаемость глин происходит в результате их предварительного разуплотнения и набухания при свободном доступе влаги. Глины приобретают остаточные деформации явно структурного характера. Результаты испытаний глин коническим пластометром показали, что условное сопротивление их сдвигу после набухания снижается в десятки, а иногда и в сотни раз и в целом характеризует резкое снижение их прочности. После изменения естественного состояния при увлажнении и набухании глины резко изменяют сопротивление сдвигу. Наступает почти полное расслабление — релаксация сил сцепления. Естественно, это вызывает снижение их устойчивости и повышение деформируемости.
IV-6. Физико-механические свойства горных пород угольных месторождений Кузнецкого бассейна
Кузнецкий бассейн расположен на юго-востоке Западной Сибири, в пределах Кузнецкой котловины, которая простирается с северо-запада на юго-восток между Салаирским кряжем и горным массивом Кузнецкий Алатау, имеет ширину 80—90 км и длину 250—270 км (рис. IV-8). Орографически Кузнецкая кот-
ловина ограничена четко |
и лишь на северо-западе сливается |
с равнинной поверхностью |
Западно-Сибирской низменности. |
:^о-Судтенск
Горн
Рис. IV-8. Географическое положение Кузнецкого бассейна
иего горнопромышленные районы.
Втектоническом отношении Кузнецкий бассейн представляет собой сложное складчатое сооружение, для которого характерны горизонтальная и вертикальная зональность тектонического строения, сформировавшаяся лреимуш,ественно в позднем палеозое. Согласно современным представлениям [33], на площади распространения палеозойских отложений Кузбасса выделяются четыре тектонические зоны: 1) Присалаирская зона линейной складчатости и разрывов; 2) Приколывань-Томская зона линейной складчатости и разрывов; 3) Центральная зона
пологих складок и куполовидных поднятий и 4) Приалатауская
иПригорношорская зоны моноклиналей.
Вгеологическом разрезе Кузнецкого бассейна принимают участие комплексы отложений различного возраста — от кембрийского до четвертичного. Однако нижне- и среднепалеозойскне отложения обнажаются только по окраинам бассейна. Угленосные отложения, достигающие мощности более 10 000 м, представлены лагунно-континентальными угленосными бала-
1 « «
хонской серии (С2-3—Pi&O и континентальными угленосными кальчугинской серии (Рг). Верхним структурным этажом продуктивной толщи Кузбасса являются отложения тарбаганской серии юрского возраста с залежами бурых углей (Ji_2). Эти отложения занимают значительные площади в центральной части бассейна. Отложения триаса, мела и палеоген-неогеновые, преимущественно песчано-глинистые, распространены на отдельных участках бассейна и повсеместно четвертичные, среди которых наряду с аллювиальными значительную роль играют лёссовые.
Отложения угленосных серий на отдельных месторождениях подразделяются на подсерин, свиты н более мелкие стратиграфические единицы. Так, в разрезе балахонской серии выделяются: I) острогская свита (C^ios) конгломератов, песчаников, элевролитов и аргиллитов, 2) нижнебалахонская подсерия (€2-36/1) песчаников, алевролитов, аргиллитов и угольных пластов, 3) верхнебалахонская подсерия (Pibk) делится на четыре свиты: промежуточную, ишановскую, кемеровскую и усятскую, представленные конгломератами, гравелитами, песчаниками, алевролитами, углями, аргиллитами и их углистыми разностями.
Отложения кальчугинской серии делятся на три подсерии: кузнецкую безугольную {V^kz), ильинскую угленосную (Pji/) и ерунаковскую угленосную (Pger). Ильинская подсерия разделяется на лачку красноярских песчаников и пачку переслаивания песчаников, алевролитов, углистых аргиллитов и углей. Ерунаковская подсерия делится на три свиты: ленинскую, грамотеинскую и таймуганскую. Кальчугинская серия отложений, как и балахонская, в значительной части сложена песчаниками, алевролитами и аргиллитами, которые в петрографическом отношении очень сходны с породами балахонской серии.
Отложения тарбаганской серии (Ji-a) представлены конгломератами, песчаниками, алевролитами, в толще которых распространены аргиллиты, углистые породы и бурые угли. По сравнению с породами балахонской и кальчугинской серий мезозойские обломочные и глинистые породы и угли отличаются меньшей степенью литификации и углефикации.
В Кузнецком бассейне по геоморфологическим, структурногеологическим условиям и условиям освоения и разработки месторождений выделяется 25 горнопромышленных районов. В этих районах проведена разведка многих месторождений угля
и |
ведется их |
разработка |
подземным и открытым способами. |
В |
настоящее |
время в |
пределах бассейна пройдено более |
100 шахт, основная часть которых имеет глубину до 200—300 м, самые глубокие — до 500 м. Планом развития народного хозяйства Советского Союза предусматривается значительное увеличение добычи угля главным образом открытым способом. В настоящее время действует около 20 карьеров глубиной до 150— 200 м, проектируются карьеры глубиной более 300 м.
107
Геологический разрез многочисленных месторождений Кузнецкого бассейна сложен главным образом песчаниками и алевролитами, в толще которых распространены аргиллиты. Именно эти петрографические типы пород являются вмещающими пласты, пачки и залежи угля и углистых пород, слагают почву и кровлю подземных горных выработок, стволы шахт, борта карьеров и в значительной степени вскрышу месторождений угля, разрабатываемых открытым способом. С участками и зонами повышенной выветрелости и трещиноватости песчаников, алевролитов и аргиллитов связана некоторая, в целом незначительная обводненность месторождений и развитие неблагоприятных геологических явлений.
Все перечисленное показывает, что физико-механические свойства основных типов пород, слагающих месторождения угля, представляют большой интерес, однако изучены они пока еще недостаточно. Наиболее значительные результаты изучения физико-механических свойств пород Кузбасса приведены в работах В. Е. Ольховатенко [33]. Из других пользуются известностью работы Ф. П. Нифантова, Э. М. Сендерзона, Г. М. Ро-
гова, |
В. Н. Пуляева, М. И. Аксененко, Г. |
Д. |
Афанасьева, |
Б. Д. |
Беликова и Е. Н. Дьяконова-Савельева, |
П. И. |
Болдырева, |
И. С. Пельдякова, И. П. Жингель и Ю. В. Гуляева, К. А. Кристин и др.
Анализируя данные о физико-механических свойствах основных петрографических типов пород угленосных серий Кузбасса, можно заключить, что песчаники, алевролиты и аргиллиты балахонской серий, как в значительной степени кальчугинской, принадлежат к группе полускальных средней и повышенной плотности и прочности.
В тех районах, где песчаники и реже алевролиты достигли высокой степени литификации (где угли имеют марки Г, Г—Ж, С, ПА и А), они принадлежат к группе типичных скальных. Породы тарбаганской серии имеют умеренную степень литификации и во всех случаях являются полускальными с пониженными показателями плотности и прочности и высокой пористостью.
На свойства пород кроме степени их литификации существенное влияние оказывают их петрографические особенности, и в частности очень четко выявляется влияние состава цемента. Песчаники и алевролиты с глинистым цементом являются наиболее слабыми, с глинисто-карбонатным цементом обычно отличаются большей плотностью и прочностью и меньшей пористостью. Наибольшую плотность и прочность имеют песчаники и алевролиты с карбонатным и кремнистым цементом.
Влияние петрографического состава пород балахонской се-- рии на их свойства наблюдается повсеместно. Например, прочность на сжатие отдельных основных их разностей изменяется в широких пределах: песчаников от 60 до 180 МПа, алевролитов от 19 до 117 МПа, аргиллитов от 11 до 115 МПа. При этом
J08
в зависимости от преобладающего цемента прочность пород на сжатие изменяется следующим образом, МПа.
|
|
П е с ч а н и ки |
Алевролиты |
Аргиллиты |
Цемент кремнистый |
100—150 |
64—117 |
— |
|
» |
карбонатный |
150—180 |
62 |
15 |
» |
глинистый |
60—100 |
19—55 |
11—48 |
Любопытно, что буримость и абразивность пород (определенная по методике Сиверса) изменяется соответственно у песчаников от 3,5 до 26 мм/мин и от 1,4 до 3,4 мин/мм, у алевролитов — от 29 до 80 мм/мин и от 3,8 до 48 мин/мм и у аргиллитов — от 34 до 110 мм/мин и от 6,3 до 50 мин/мм. Все эти дополнительные данные подтверждают, что прочность пород на сжатие и разрыв и их буримость изменяются в зависимости от преобладания того или иного цемента и типа цементации. Заметно влияние структуры пород и распределения цемента на их свойства. Например, мелкозернистые песчаники бурятся легче, чем крупнозернистые, при равномерном распределении цемента породы бурятся легче, чем при неравномерном.
В соответствии с достаточной неоднородностью состава, физического состояния и свойств песчаников, алевролитов и аргиллитов изменяются их крепость и устойчивость в горных выработках. Аргиллиты обычно имеют крепость 2—4, алевролиты 3—4, песчаники слабые 3—5, средней крепости 5—7, а крепкие 8 и выше. Считается, что породы, вмещающие угольные пласты
вКузнецком бассейне, характеризуются повышенной крепостью
ив нормальных условиях достаточно устойчивы в горных выработках. Обращая внимание на такую оценку крепости основных разностей пород Кузбасса, важно учитывать, что крепость скальных и полускальных пород зависит не столько от их состава, сколько от физического состояния — трещиноватости, выветрелостн, наличия поверхностей и зон ослабления и др.
Деформационные свойства песчаников, алевролитов и аргиллитов Кузбасса типичны для пород как полускальных, так и скальных. Среднее значение модуля упругости песчаников и алевролитов лежит в пределах 20 000—40 000 МПа, а аргилли-
тов в основном в пределах |
10 000—20 ООО МПа. Модуль общей |
||
деформации |
песчаников |
и |
алевролитов изменяется от 6000 до |
10 000 МПа, |
аргиллитов |
от |
2000 до 4000—6000 МПа. Коэффи- |
циент поперечной деформации всех разностей пород обычно меньше 0,3.
IV-7. Изменение физико-механических свойств горных пород при литификации
Известно, что главную массу осадочных пород земной коры (80—90 %) составляют глинистые, которые образуются из осадков континентальных, лагунных и главным образом морских бассейнов. Очень часто они являются вмещающими для зале-
109
жей угля, руд и других полезных ископаемых. Именно они создают наибольшие трудности при разработке месторождений полезных ископаемых как открытым, так и подземным способами.
В зависимости от условий и способа накопления осадочного материала образуются различные генетические и петрографические типы осадков. Состав, состояние и свойства свежеотложившихся осадков под влиянием различных факторов литификации претерпевают существенные изменения, которые имеют большое инженерно-геологическое значение.
Длительный процесс изменения состава, состояния и свойств
глинистых |
осадков |
и пород при литификации |
распадается на |
две стадии. |
Первая |
из них —стадия ила, т. е. |
свежеотлсживше- |
гося глинистого осадка, находящегося в сильно гидратированном состоянии, превращающегося под влиянием процессов диагенеза в глину. Вторая стадия состоит из ряда последовательных фаз, а именно: превращения глины под влиянием процессов
катагенеза в уплотненную глину, а затем в |
аргиллит, аргил- |
лита — в сланцеватый аргиллит, который при |
соответствующих |
условиях, в зоне метаморфизма, может превратиться в глинистый сланец филлитизированный, а затем в филлит. Описание процессов литификации основных разностей осадочных пород приведено в «Инженерной петрологии> [19].
Степень литификации глинистых пород хорошо контролируется не только их петрографическими признаками, но и показателями их физихо-механических свойств. Последние являются мерой их литификации и, следовательно, прочности и устойчивости. Однако важно учитывать, что на прочность и устойчивость пород высокой и предельно высокой степени литификации большое влияние оказывают поверхности и зоны ослабления, возникающие и развивающиеся в процессе их литификации. Поэтому инженерно-геологическое изучение таких разностей пород в значительной степени должно основываться на полевых методах, в том числе и на структурно-петрографических и струк- турно-тектонических.
1V-8. Связь изменений свойств осадочных угленосных отложений с метаморфизмом углей
Растительные остатки, рассеянные в толщах осадочных терригенных пород или образующие скопления в виде прослойков, линз, различной формы залежей, слоев, пачек и мощных слоев, весьма чувствительны к изменениям окружающих условий, и главным образом к изменениям давления и температуры. В результате растительные остатки разлагаются, происходит их гумификация, обогащение углеродом и обеднение кислородом. Эти процессы обычно протекают в условиях избыточной влажности среды при отсутствии или слабом доступе кислорода, при участии грибков и бактерий. Таким образом скопления растительных остатков превращаются в торф, т. е. свежеотложив-
110