|
. с» |
|
Рис, II-7. Схематический гра- |
|||||
0,5 |
'Саб |
|
фик. |
показывающий |
влияние |
|||
|
|
трешиноватости пород на из- |
||||||
ОЛ |
|
менение |
их прочности. |
|||||
|
/ — область |
анизотропных |
свойств |
|||||
0.3 |
|
|
пород; |
II |
— |
область |
квазиизотроп- |
|
|
II |
ных свойств |
пород: |
L — линейный |
||||
о,г |
|
разм«р объема пород, в пределах |
||||||
|
|
которого |
измерялась |
трещннова- |
||||
0,1 |
|
|
тость; |
I — линейный |
размер об- |
|||
|
|
разца, |
отдельности, |
образованной |
||||
трещинами.
о 10 -20
нием инженерных мероприятий, необходимых для локализации или устранения вредного влияния трещиноватости. Для этого применяют различные виды крепи в подземных выработках, анкерные устройства и искусственное уплотнение и укрепление пород (цементация, глинизация, битумизация и др.), устраивают противофильтрационные завесы, дренажи, а также вводят различные конструктивные элементы, обеспечивающие большую устойчивость сооружений.
Новейшие и современные тектонические движения и сейсмические явления —это важный фактор, определяющий инженер- но-геологические условия района или участков месторождений полезных ископаемых.
Новейшими тектоническими движениями земной коры принято называть такие, которые происходили в течение всего чет-
вертичного периода или неогенового |
и четвертичного периодов, |
а современными — происходящие в |
современную историческую |
эпоху, наблюдающиеся и теперь. Сейсмические явления также относятся к современным тектоническим движениям, но проявляются в виде землетрясений различной интенсивности, угрожающих сохранности территорий, сооружений, жизни и деятельности людей.
Новейшие и современные тектонические движения — это эпейрогенические движения земной коры. Они имеют колебательный характер, так как в одной и той же местности поднятия земной коры сменяются опусканиями. Это медленные вековые движения, развивающиеся со скоростью, измеряемой миллиметрами в год. Землетрясения, в отличие от эпейрогенических движений, проявляются в деформациях горных пород (сжатие, растяжение, сдвиги) со скоростями, измеряемыми многими тысячами километров в секунду.
Изучение новейших и современных тектонических движений и сейсмических явлений имеет огромное научное и практическое
значение, так как они очень широко |
распространены |
на Земле |
и предопределяют развитие многих |
геологических |
процессов, |
высокое напряженное состояние горных пород в земной корена отдельных участках, сохранность и устойчивость территорий и сооружений, условия строительства и эксплуатации последних.
4 0
На карте новейших колебательных движений земной коры на территории СССР, составленной Н. И. Николаевым [1949 г.], выделены области, испытывающие тектонические колебательные движения разного направления и разной скорости. Она дает указания о распространении районов активных новейших тектонических движений земной коры. При этом следует учитывать, что горные области повсеместно являются областями поднятий, тогда как низменности и равнины — чаш;е областями опусканий. Полоса интенсивных поднятий, соответствующая наиболее высоким и молодым горам, охватывает Советский Союз широкой дугой с юга и востока. Она является наиболее активной в сейсмическом отношении, сила землетрясений здесь
достигает 7—8 и даже 9 баллов (по 12-балльной |
шкале). |
||
Выветрелость |
горных пород. Горные |
породы, |
выступающие |
на поверхности |
земли или вскрываемые |
горными |
выработками, |
редко сохраняют свою первоначальную свежесть и естественное физическое состояние. В этой приповерхностной зоне в новых температурных, влажностных и физико-химических условиях
они подвергаются |
разнообразным изменениям — выветриванию, |
Б результате чего |
возникает и развивается элювиальная зона — |
зона выветрелых пород. При решении инл<енерно-геологических задач оценка степени выветрелости горных пород имеет огромное значение, так как чем она больше, тем больше и степень нх разрушения.
От мощности зоны выветривания и степени выветрелости пород зависит решение ряда практических задач, например: а) выбор наиболее благоприятных участков для размещения сооружений (с точки зрения разрушенности пород выветриванием); б) определение мощности выветрелых пород, подлежащих съему при проектировании горных работ; в) оценка устойчивости выветрелых пород на склонах, в откосах или подземных выработках; г) прогноз возможности развития осыпей, обвалов, вывалов и других видов деформаций горных пород; д) определение строительной категории выветрелых пород, условий и способов их разработки; е) определение необходимых инженерных мероприятий для обеспечения устойчивости горных выработок, защиты их от опасных деформаций выветрелых пород или за-
щиты пород от воздействия агентов выветривания. |
Подробное |
описание процессов выветривания горных пород |
приведено |
в «Инженерной петрологии» [19]. |
|
Газоносность горных пород. Горные породы на месторождениях твердых полезных ископаемых, как и в других местах земной коры, могут содержать различные газы: метан, углекислый газ, азот, тяжелые углеводородные газы (этан, пропан, бутан и др.), водород, окись углерода, сернистый газ, сероводород, радон и др. Наибольшее практическое значение при оценке инже- нерно-геологических условий строительства шахт, рудников н выполнения горных работ имеют метан, углекислый газ и часто азот. Именно они чаще всего определяют газоносность место-
4 !
рождений твердых полезных ископаемых, в относительно большом количестве содержатся в воздухе подземных горных выработок, вызывают развитие газодинамических явлений (см. гл. VI), взрывоопасны, вредны для человека.
Многочисленными исследованиями установлено, что в углях, рудах и горных породах газ может находиться: 1) в свободном состоянии, заполняя различные трещины и пустоты сверхкапиллярных размеров; 2) в сорбированном состоянии, т. е. удерживаться молекулярными силами в порах (пустотах) капиллярных и субкапиллярных размеров, и 3) в связанном состоянии под влиянием физико-химических сил с массой измененного органического вещества.
Газы в горных породах земной коры могут иметь различное происхождение; биохимическое, т. е. образовываться в результате разложения и углефикации скоплений органического вещества (пласты, слои, залежи) или находящегося в рассеянном состоянии в горных породах; вулканическое и метаморфическое— поступают с больших глубин недр Земли; атмосферное, когда газы поступают в недра Земли главным образом в растворенном виде (в подземных водах), и радиоактивное, т. е. образовываться при самопроизвольном распаде радиоактивных элементов. В горных породах месторождений твердых полезных ископаемых, особенно угольных, газы имеют главным образом биохимическое происхождение, газы другого генезиса в них обычно образуют примеси. Относительное содержание метана, углекислоты и азота достигает в них 99 % и более. Мерой природной газоносности или, точнее, газонасыщенности горных пород и полезных ископаемых является количество содержащегося в них свободного и сорбированного газа, измеряемое в кубических метрах на тонну или на кубический метр твердого вещества.
Как показывают материалы обобщений [Газоносность угольных бассейнов . . . , 1980 г.], распределение газов в горных поро-
дах и полезных ископаемых на месторождениях |
характеризу- |
||
ется большим |
разнообразием. Однако |
это вполне |
закономерно |
и обусловлено |
влиянием различных |
геологических факторов: |
|
а) петрографического состава горных пород, который определяет их коллекторские свойства; б) глубины залегания от поверхности земли; в) состава углей и угленасыщенности стратиграфического разреза; г) тектонической нарушенности и трещиноватости пород; д) водоносности, водо- и газопроницаемости пород; е) мощности покровных отложений и их экранирующих свойств; ж) многолетней мерзлоты й др. Обычно наиболее газоносны месторождения углей.
Газоносность угольных месторождений возрастает с глубиной: от малой на глубине до 300 м в зоне дегазации горных пород и газового выветривания до наибольшей в зоне распространения каменных углей и антрацитов. Максимальная газоносность здесь достигает 40 м^т. Как в природных условиях,
4 2
так и особенно при нарушении естественного залегания и сложения горных пород, углей и руд идет процесс их дегазации с различной интенсивностью, но наиболее интенсивно в приповерхностных горизонтах земной коры.
Состав газов и их распределение в недрах Земли закономерно изменяются в зависимости от геологического строения того или иного района или месторождения. Так, например, состав газов по падению осадочных толщ, как и пластов угля, изменяется следующим образом. В приповерхностных горизонтах располагается зона углекислых газов, ее сменяют зоны азотных, затем азотно-метановых и, наконец, метановых газов. Другие газы в этих зонах могут составлять небольшие примеси. Глубина распространения зоны углекислых газов изменяется от
30—60 м в пологопадающих пластах |
горных пород до 300— |
|
400 м в крутопадающих. С глубиной |
содержание |
углекислого |
газа постепенно уменьшается и преобладающим |
становится |
|
азот, концентрация которого достигает 80 % и более. |
|
|
Зона азотно-метановых газов обнаружена на большинстве известных угольных месторождений и бассейнов. Ее нижняя граница прослеживается на разных глубинах, например в западной части Донбасса она опускается до 60—150 м, местами до 300 м, а в восточной части (в негазоносных районах) еще глубже.
Самая нижняя зона представлена в основном метаном с незначительной примесью других газов. Вообще содержание метана с глубиной обычно возрастает. Нижняя граница метановой зоны на угольных месторождениях опускается ниже глубины современной разработки месторождений. Максимальная метаноносность угольных пластов определяется в 20—25 м^/т для малометаморфизованных углей и до 35—40 mVt для антрацитов.
Газоносность горных пород н полезного ископаемого определяет газообильность горных выработок и соответственно опасность производства в них горных работ. Выделение газов в горные выработки происходит: 1) обыкновенным путем, т. е. непрерывно из визуально невидимых пор в породах, углях и рудах; 2) в виде суфляров, т. е. концентрированных струй, выделяющихся из видимых трещин и пустот, и 3) в виде внезапных прорывов — выбросов газов в значительных количествах, нередко сопровождающихся выбросами масс горных пород, угля или других полезных ископаемых. Газообильность горных выработок оценивают по количеству поступающего в них газа в куби-
ческих метрах в минуту или в сутки (абсолютная |
величина) |
|
или в кубических метрах на массу или объем |
разрабатываемых |
|
горных пород, угля или руды (относительная |
величина). |
|
Суфлярные выделения газов бывают различными |
как по дли- |
|
тельности, так и по интенсивности. В Англии на угольной шахте «Гаарвуд» суфляр, выведенный на поверхность земли, горел 10 лет столбом большой высоты. В Донбассе на щахте «Прасковейская» суфляр действовал в течение двух лет; вначале да-
43
вал около 2000—3000 м® газа в сутки, а всего выделил около 1 млн. мЗ метана. На шахте «Центральная» суфляр в началь-
ный |
период давал до 20 |
000 |
м®^yт |
чистого метана, через |
400 |
дней |
его дебит держался |
на |
уровне |
8000—8500 м^сут. За |
все |
время действия этот суфляр дал свыше 6 млн. м^ метана [Петросян А. Э. и др., 1978 г.]. Известно много примеров значительного выделения газов при строительстве туннелей в разных странах. Такие явления нередко сопровождались взрывами, пожарами и человеческими жертвами.
Как отмечено выше, на месторождениях твердых полезных ископаемых чаще всего встречаются метан (СН4), углекислый газ (СО2) и азот (N2). Их суммарное содержание в воздухе горных выработок может достигать почти 100%. Смесь газов, содержащая до 6—6 % метана, может при определенных условиях гореть, а от 5—6 до 14—16% взрываться. Взрывы наибольшей силы возникают при содержании метана в шахтной атмосфере 9,5%. При большем его содержании (14—16%) смесь
взрывается и горит пока имеется приток кислорода. |
Содержа- |
||||
ние метана в шахтной атмосфере до |
1 % |
считается |
опасным^ |
||
а при 2 % необходимо прекращать работы |
и удалять |
рабочих |
|||
из горных выработок. |
|
|
|
|
|
Углекислый газ и азот токсичны, их действие на состояние |
|||||
здоровья людей опасны, как и окиси |
углерода |
(угарный |
газ |
||
СО), сероводорода (H2S), сернистого |
газа |
(SO2) |
и др. Их |
со- |
|
держание в шахтном и рудничном воздухе не должно превышать допустимого предела.
По газовому режиму горные выработки подразделяются на категории. Так, угольные шахты по содержанию в воздухе ме-
тана подразделяют на следующие категории; |
I —при |
содержа- |
||||||||
нии метана до 5 м^т; |
И — от 5 до |
10; III — от |
10 до |
15; IV — |
||||||
сверхкатегорийные, при содержании |
метана |
более |
15 м^/т ила |
|||||||
с суфлярными выделениями газа; V — угрожаемые |
газодинами- |
|||||||||
ческими явлениями и VI — шахты, где |
происходят |
более опас- |
||||||||
ные газодинамические |
явления. |
|
|
|
|
|
|
|
||
Из сказанного следует, что газоносность горных пород ме- |
||||||||||
сторождений твердых |
полезных |
ископаемых |
имеет |
исключи- |
||||||
тельно важное значение при их |
инженерно-геологической |
|||||||||
оценке. Она влияет на условия |
производства |
строительных и |
||||||||
эксплуатационных |
работ, |
на развитие |
опасных |
геологических |
||||||
газодинамических |
явлений |
(см. гл. VI) |
и определяет |
необходи- |
||||||
мость осуществления |
соответствующих |
мероприятий. |
Поэтому |
|||||||
при разведке месторождений необходимо уделять большое внимание изучению степени газокосности горных пород, углей и руд, состава газов и их распределения по глубине и простиранию угленосных и рудовмещающих толщ. Без этого инженерногеологическая информация о разведуемом месторождении, рудном или шахтном поле будет неполной.
Геотермические условия. Горные породы в земной коре обладают определенным запасом тепла. Поэтому в каждой точке
44
геологического пространства Земли они имеют ту или иную температуру, отличаются определенным тепловым состоянием и образуют в совокупности тепловое поле земной коры. Тепловое состояние горных пород земной коры определяется двумя источниками тепла: внешним—солнечной радиацией — и внутренним — тепловым потоком из недр Земли. В приповерхностных горизонтах земной коры в тепловом балансе горных пород главное значение имеют процессы, связанные с поступлением тепла от Солнца. В более глубоких горизонтах, где главным образом ведутся горные работы, связанные с разработкой месторождений полезных ископаемых и строительством сооружений, тепловое состояние горных пород определяется распространением и плотностью теплового потока, поступающего из недр Земли.
Процессы теплообмена в системе Земля — атмосфера (космическое пространство) накладываются и изменяют тепловое состояние горных пород в приповерхностных горизонтах земной коры и образуют здесь зоны суточных, годовых, многолетних, вековых и более длиннопериодных колебаний температуры. Суточные колебания температуры горных пород распространяются на малую глубину. На глубине 1 м (максимум 2 м) суточная амплитуда колебаний температуры горных пород равна нулю, здесь располагается зона постоянных суточных температур. Граница постоянных годовых температур горных пород намечается на глубине до 15—25 м, реже 30—40 м. Глубина распространения этой зоны сильно изменяется, главным образом в зависимости от амплитуды колебаний температуры на поверхности земли и от тепловых свойств горных пород. Обычно в зоне постоянных годовых температур горные породы имеют температуру, близкую к среднегодовой температуре воздуха на поверхности земли. На территории СССР температура слоя горных пород с постоянными годовыми температурами изменяется от —13°С в районе Таймырского полуострова до +20° в пустынных районах Средней Азии.
В тех областях, где имеется дефицит тепла, происходит охлаждение земной коры, которое проявляется в ее промерзании в течение зимнего сезона или многих лет. На территории Советского Союза на обширных пространствах полярных и приполярных областей и в некоторых высокогорных районах горные породы на глубину десятков и сотен метров от поверхности земли имеют отрицательную температуру — это области распростране-
ния многолетней мерзлоты. |
Здесь в |
результате |
теплообмена |
в системе Земля — атмосфера |
возник |
дефицит тепла на поверх- |
|
ности Земли на определенном этапе ее развития. |
Накопление |
||
холода в верхней зоне земной коры есть результат |
особенностей |
||
этого теплообмена. |
|
|
|
Гран]1цы распространения многолетних, вековых и других колебаний температуры горных пород в земной коре установить трудно, о них судят только по палеогеографическим данным.
4 5
н и же зоны постоянных годовых, а |
практически и постоян- |
ных многолетних температур горных |
пород прослеживается |
зона постепенного их повышения с глубиной. В разных районах скорость повышения температуры горных пород с глубиной различна и изменяется от 3—5''С на 100 м (геотермический градиент) в молодых складчатых областях (Тихоокеанский пояс, Копетдаг, Кавказ, Крым, Карпаты) до 1 "С на 100 м в районах кристаллических щитов (Балтийский, Украинский и др.). В соответствии с этим в отдельных районах на глубинах, представляющих практический интерес, т. е. с глубины 400—500 м и глубже, температура горных пород может достигать 25—ЗО^'С и выше, в них могут быть вскрыты горячие подземные воды.
Высокие температуры горных пород и подземных вод могут существенно влиять на производство строительных и горных работ и эксплуатацию сооружений. По правилам технической эксплуатации шахт и рудников температура воздуха в подготовительных и очистных выработках, а также в машинных камерах, в которых регулярно работают люди, не должна превышать 25 "С.
В районах распространения многолетней мерзлоты геотермические условия существенно усложняют строительство подземных сооружений и выполнение горно-эксплуатационных работ. Здесь отрицательные температуры горных пород и воздуха в горных выработках создают неблагоприятные условия для людей (часты простудные и другие заболевания), вызывают нарушения нормальной работы механизмов и оборудования (пневматического оборудования, воздухопроводов, водоотливных средств и др.). Прогрев и оттаивание горных пород снижают их прочность и устойчивость, и при этом возникает возможность притоков и прорывов подземных вод и газов в выработки и других явлений. Например, в пределах месторождения Кайеркан Норильского района Тунгусского угольного бассейна с глубиной повышается температура многолетнемерзлых пород и возрастает метанообильность горных выработок [Лидин Г. Д., 1980 г.].
Все это указывает на то, что при проектировании подземных сооружений (шахт, рудников, туннелей и др.) и соответственно средств проветривания, вентиляции, охлаждения, обогрева подземных выработок необходимо располагать достоверными данными о распределении температуры горных пород и подземных вод с глубиной. Соответственно при разведке месторождений твердых полезных ископаемых и выполнении инженерно-геоло- гических исследований на конкретных участках расположения сооружений или осваиваемой территории необходимо производить сбор всех имеющихся геотермических данных по району, организовывать и выполнять геотермические наблюдения и измерения в разведочных скважинах и горных выработках, обобщать получаемые данные и составлять заключения о геотермических условиях разработки месторождения. При этом для прог-
4 6
поза температуры горных пород на значительных глубинах можно рекомендовать следующие эмпирические зависимости:
H-h
где |
Гн —ориентировочная температура горных пород на |
глу- |
бине |
Я (м), X ; g-— геотермическая ступень — интервал |
глу- |
бины » метрах, на котором температура горных пород повыша-
ется на 1 "С в изучаемом районе; te — средняя |
температура |
воз- |
|
духа данной местности, "С; h |
глубина зоны |
постоянных годо- |
|
вых температур горных пород, м. |
|
|
|
Соответственно глубина залегания горных пород с той |
или |
||
иной температурой определяется |
из уравнения |
|
|
Глубину зоны постоянных годовых температур горных пород определяют по данным режимных стационарных геотермических наблюдений. Ориентировочный расчет этой глубины можно производить по данным наблюдений за температурой горных пород на меньшей глубине, пользуясь законом уменьшения амплитуды колебаний температуры с глубиной,
В заключение отметим, что тепловое поле земной коры на отдельных участках может иметь положительные и отрицательные геотермические аномалии. Положительные аномалии связаны с выходами терм (горячих вод с больших глубин), с участками неоген-четвертичного вулканизма или с участками активных геохимических процессов, сопровождающихся выделением тепла. При строительстве туннелей на больших глубинах и разработке месторождений полезных ископаемых все такие явления отмечались неоднократно.
Глава HI
ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
111-1. Роль обводненности месторождений полезных ископаемых в оценке их ииженерно-геологических условий
Подземные воды являются важнейшим элементом инже- нерно-геологических условий любых месторождений полезных ископаемых. При их освоении, при строительстве шахт и карьеров и разработке полезных ископаемых подземные воды влияют на устойчивость горных пород в бортах карьеров и подземных выработках, на условия производства и безопасность ведения горных работ, на качество полезных ископаемых; все это вызывает необходимость выполнения разнообразных мероприятий по защите горных выработок от притоков к ним подземных вод и опасного их влияния.
Практика показывает, что суммарные притоки воды к горным выработкам на угольных месторождениях достигают 2Q00— 3500 мз/ч, а на рудных — 7000—10000 м^/ч. Известны прорывы воды, плывунов и разжиженных глинистых пород в горные выработки и их затопление. Ущерб, наносимый такими авариями, очень большой. Из мировой практики известно, что они нередко сопровождаются человеческими жертвами. В настоящее время на обводненных месторождениях стоимость мероприятий по защите горных выработок от подземных вод составляет весьма значительную долю (10—!5%, т. е. сотни миллионов рублей) от стоимости капитальных и эксплуатационных работ. Поэтому изучение подземных вод — их распространения, условий залегания, гидравлических особенностей, условий питания, разгрузки, запасов (ресурсов), режима, химизма, участия в развитии геологических процессов и т. д. — необходимо производить обязательно при разведке и промышленной оценке месторождений и проектировании горных выработок. Без должного учета влияния подземных вод на развитие геологических процессов и явлений, влажности и водоносности горных пород не могут быть правильно оценены инженерно-геологические условия месторождения и сделан прогноз их изменений.
III-2. Типы подземных вод и их распространение
в пределах месторождений твердых полезных ископаемых
В пределах месторождений полезных ископаемых подземные воды в большинстве случаев широко распространены как по площади, так и на глубину. Они приурочены как к отложениям
48
четвертичного возраста, так и к коренным породам, образуют водоносные горизонты, зоны и комплексы грунтовых поровых, трещинных и карстовых вод; поровых, трещинных и карстовых, пластовых напорных и ненапорных вод; трещинно-жнльных и карстовых как напорных, так и безнапорных вод. В районах распространения многолетней мерзлоты водоносные горизонты, зоны и комплексы могут быть надмерзлотными. межмерзлотными и подмерзлотяыми.
Обводненность месторождений определяется главным образом следующими основными факторами:
1)климатическими условиями района (избыточно влажный, влажный, умеренно влажный, сухой климат);
2)гидрографией района (наличие рек и ручьев, озер, прудов, водохранилищ, заболоченность территории);
3)рельефом местности (горный резко расчлененный, холмистый, холмисто-равнинный, равнинный);
4)геологическим строением — распространением в геологическом разрезе петрографических типов и разностей горных по-
род, обладающих водоемкостью (коллекторскими свойствами) и водопроницаемостью, и горных пород, образующих региональные и локальные водоупоры;
5) тектоникой района — степенью тектонической нарушенности условий залегания и раздробленности горных пород, слагающих месторождение, региональными и локальными тектоническими нарушениями, степенью трещиноватости и ее пространственным распространением по площади и на глубину;
6)степенью и характером выветрелости или закарстованностн горных пород по простиранию и на глубину;
7)глубиной залегания полезного ископаемого от поверхности земли, формой и условиями залегания и положением относительно местного или регионального базиса разгрузки подземных вод;
8)степенью осушенности месторождения в результате дренирования водоносных горизонтов, зон и комплексов;
9)искусственным обводнением и затоплением территорий месторождений при создании водохранилищ, интенсивном орошении, сбросе промышленных и других вод, нарушении поверхностного стока вследствие деформаций поверхности земли при подработке территорий системами горных выработок с естест-
венным или принудительным обрушением в них горных пород, и особенно при подработке различных водных объектов — рек, водоемов, водоносных комплексов и др.
На обводнение месторождений, шахтных и карьерных полей при производстве горных работ и возникновение опасных явлений (прорывы воды и затопление горных выработок) могут оказывать влияние также воды, накопившиеся в старых затопленных шахтах. Следовательно, обводнение разрабатываемых месторождений может определяться как природными, так и искусственными факторами.
4 9