Министерство угольной промышленности СССР

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА ВНИМИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по оценке влияния разрывных нарушений на полноту выемки угля на шахтах Кузнецкого и Карагандинского бассейнов

Ленинград

1972

Министерство угольной промышленности СССР

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА ВНИМИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по оценке влияния разрывных нарушений на полноту выемки угля на шахтах Кузнецкого и Карагандинского бассейнов

Ленинград

1972

В связи с этим характеристика нарушенное™ должна содержать количественные данные о ее изменчивости. Для этой цели можно использовать статистические функции распределения выемочных полей по степени' их нарушенное™. В частности, интегральная функция распределения показывает долю участков эксплуатируемого угольного пласта со степенью нарушенноеги, не превышающей какого-либо заданного предела. С этой целью вычисляются показатели нарушенноеги для выемочных полей в пределах изученной по горным выработкам части шахтного поля. Диапазон изменения показателя нарушенное™ по выемочным полям разделяется на 5-6 равных интервалов (например, 0-50 м/га; 50-100 м/га; и т.д.). Затем для каждого интервала подсчитывается (в процентах к общему числу полей) нарастающим итогом количество выемочных полей данного и предыдущего интервалов. По этим итогам строятся графики (рис. 1.3 и 1.4).

Рис.1.3. Интегральные кривые распределения тектонически нарушенных участков угольных пластов, Шах ты Карагандинского бассейна: 1 -'Вертикальная*; 2-'Майкудук-ская", 'Карагаядинская'.им.Калинина, ‘'Долинская*' ;3-"Чурубай-Нуринская*,'Абай-ская'

Эт* графики позволяют оценивать каждое шахтное поле с точки зрения возможности применения гой или иной технологии добычных работ.

Анализ нарушенное™ выемочных участков показал, что на практике механизированная отработка пласта в Карагандинском бассейне ведется лишь в пределах блоков с коэффициентом нарушенное™ (К^) менее 150 м/га.

На рис.1.3 построены интегральные кривые распределения нарушенных выемочных участков (данные за 1966-1967 гг,)для ряда шахт Карагандинского бассейна. Для шахт 'Вертикаль-

Рис.1.4. Интегральные кривые распределения тектонически нарушенных участков угольных пластов: 1-восгочное крыло 1 синклинали; 2-западное крыло 1 синклинали; 3-западное крыло 1 синклинали (более нарушенные участки)

ная' , 'Майкудукская', 'Карагандинская*' Промышленного участка Карагандинского месторождения механизированные комплексы можно применять на 95-97% выемочных участков,а для условий Чурубай-Нуринского месторождения (шахты "Чурубай-Нуринскач', 'Абайская')- на 85% выемочных участков шахтного поля.

Вид кривых на рис. 1.3 единообразен для различных по степени нарушенноеги шахтных полей Карагандинского бассейна. Распределение, по-видимому, имеет один и тог же характер (близкий к нормальному), а различие состоит в сдвиге кривой распределения в направлении оси абсцисс, характеризующей степень увеличения показателя нарушенности К..

На рис. 1.4 даны усредненные кривые распределения выемочных участков, по степени их нарушенности, построенные для шахты 'Тырганскаи' Кузбасса. Кривые, приведенные на этом рисунке, существенно отличаются от кривых, полученных для условий Карагандинского бассейна. Степень нарушенности Про копьевско-Киселевского месторождения выше. На приведенном графике видно, что выемочные участки, располагающиеся в пределах восточного крыла 1 синклинали, оцениваются показателем нарушенности К. менее 250 м/га (эго значение ориентировочно можно считать граничным при решении вопроса о пригодности участка к отработке). На западном крыле синклинали количество участков с нарушенноетью менее 250 м/га изменяется от 40% до 70% /3/.

11

РАЗДЕЛ 2. ЗАВИСИМОСТЬ НАРУШЕННОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ОТ ТЕКТОНИЧЕСКОЙ ПОЗИЦИИ УЧАСТКА

Рассмотренная выше методика количественной оценки нарушенное™ угольных пластов основана на результатах детального геологического изучения при подготовке, нарезке и отработке выемочных участков. Для прогнозной оценки дизъюнктивной нарушенное ги на более ранних стадиях освоения участков (детальная разведка, вскрытие) можно использовать данные о положении угольных пластов в структуре месторождения, а также о физико-механических свойствах вмещающих пород,

В настоящей главе рассматривается связь мелко- и среднеамплитудной нарушенное™ выемочных полей с их положением в структуре Г1 рокопьевско-Киселевского месторождения и с физико-механическими свойствами вмещающих пород.

2.1. Зависим ость мелкоамплитудной нарушенности участка от его положения в общей структуре района(на примере П рокопьевско-Киселевского месторождения К узбасса)

Угленосная толща верхнебалахонской свиты нижней перми, к которой приурочено П рокопьевско-Киселевское месторождение, содержит до 30 рабочих пластов.

Угленосная толща собрана в крупные складки северо-западного простирания, осложненные складчатостью второго порядка. С севера и юга угленосные отложения ограничены широтными антиклинальными поднятиями пород нижнего карбона.

Оси складок погружаются на северо-запад под углом 10-25°. Падение крыльев складок крутое (60-90°). Угленосная толща рассечена крупными продольными разрывными нарушениями на ряд чешуй параллельно фронту Салаирского кряжа.Длина этих крупных нарушений десятки километров, падение их в основном юго-западное под углом 70-80 , относятся они к типу взбросов и имеют большую вертикальную амплитуду перемещения (до 1000 М и более). Таких нарушений, называемых * литерными¹', в районе насчитывается около 15 /4/.

Месторождение имеет сложное тектоническое строение. Однако складчатость первого порядка и литерные нарушения не оказывают существенного влияния на эксплуатационные работы: крупные тектонические единицы фиксируются при детальной разведке и являются естественными границами промышленных районов, шахтных или выемочных полей.

12

Основное влияние на эксплуатационные работы оказывают мелкие тектонические нарушения. Они осложняют проходку горных выработок, благодаря им повышается зольность добываемых углей, увеличивав ся объем работ по креплению и ремонту горных выработок, ра^ /т потери угля в недрах (отсюда опасность возникновения подземных пожаров, внезапных выбросов газа и г.д.).

Количественная связь густоты мелкоамплитудных разрывов с крупными складками и взбросами установлена на основе изучения фактического материала по тектонике шахтных полей Прокопьевско-Киселевского месторождения с использованием показателя дизъюнктивной нарушенности.

Для подсчета дизъюнктивной нарушенности были выбраны пласты Внутренние, Характерный и Горелый (на горизонтах +220 и + 140 м), так как они широко развиты в пределах месторождения и в значительной части уже отработаны на указанных горизонтах.

Характер изменения нарушенности угольных пластов в направлении простирания складок, в замках складок и возле "литерных*' разломов показан на рис.2«1 и 2.2.

При построении графиков на оси абсцисс откладывались расстояния от соответствующего структурного элемента (оси складки крупного дизъюнктива и т.д.), а по оси ординат -коэффициент нарушенности К., подсчитанный по плоШади через каждые 100 м. Кривые на графиках соответствуют средним значениям коэффициента нарушенности, вычисленным по двум горизонтам. Как видно из графиков, вблизи крупных разрывов и замковых частей складок выделяются зоны повышенной нарушенности.

В средней части восточного крыла У синклинали на расстоянии 1-1,5 км от оси коэффициент нарушенности угольных пластов равен 10-30 м/га, при приближении к замковой части синклинали нарушенносгь повышается и на расстоянии 700 -750 м от замка складки достигает 100-300 м/га. При приближении к оси Голубевской антиклинали на расстояние 300-400м нарушенносгь повышается до 70-150 м/га. Интересно отме-» тить, что степень нарушенности и протяженность нарушенных участков угольных пластов вблизи осей антиклинальных складок в 1,5-2 раза меньше, чем вблизи осей синклинальных складок. Аналогичная картина наблюдалась на крыльях других пликативных структур месторождения. Кроме того, было установлено, что на западных крыльях (с падением пластов на северо-восток) нарушенносгь в 1,5-2 раза больше, чем на восточных (с падением пластов на юго-запад). Так, на западных крыльях синклиналей подсчитанный коэффициент нарушенное™ составил 200-350 м/га, на восточных - 150~170м/га;

13

Рис.2.la. Зависимость степени нарушенное™ угольных пластов от расстояния до крупных нарушений и осей складок.Централь-ная часть Прокопьевско-Киселевского района: 1-нарушенносгь менее 100 м/га; 2-нарушенносгь 100-300 м/га; 3-нарушенносгь свыше 300 м/га

на западных крыльях антиклиналей нарушенность составила 120-160 м/га, на восточных - 60-120 м/га.

Установлено так же, что с увеличением угла падения крыла складки на 20-26° нарушенносгь увеличивается в 1,5-2 раза.

Установлено, что размеры нарушенных зон, прилегающих к "литерным*' дизъюнктивам, находятся в прямой зависимости от амплитуды этих дизъюнктивов, что видно из табл.2.1.

Таблица 2.1

"Лжтерны!" дяэыжктжвов	Акта туда джзъшктква по нормали к пласту N, и	Ширина зоны влкянжя джзъонктжва по нормали к смеет гг влю L,, м
		в лежачем Соку	в мсячвм 00ку
Е-Е	350	340	280
С -С	300	-	240
С - G	270	280	-
S-S	600	-	3^0
А-А	300	200	-
DD	100	-	115
в-в	150	160	-
R-R	350	-	300

Рис.2.1,6. Зависимость степени нарушенности угольных пластов от расстояния до крупных нарушений и осей складок. Восточная часть Прокопьевско-Кнселевского района: 1 - нарушена ость менее 100 м/га; 2 - нарушенность 100 - 300 м/га; 3 - нарушснность свыше 300 м/га

УДК 551.24 : 822.273

ВВЕДЕНИЕ

Директивами XX1У съезда КПСС предусматривается осуществление прироста добычи угля за счет повышения производственных мощностей действующих угледобывающих предприятий без увеличения численности работающих, на базе внедрения новых технологических схем и прогрессивной комплексной механизации я автоматизации основных технологических процессов разработки угольных месторождений.

Современные методы ведения горных работ, широкое использование комплексной механизации и автоматизации процессов добычи полезного ископаемого предъявляют повышенные требования к разведанности, изученности и достоверности прогнозирования основных природных факторов, осложняющих эксплуатацию, Особое место среди этих факторов занимают дизъюнктивные нарушения на угольных месторождениях. Из-за дизъюнктивных нарушений угольных пластов снижаются категории запасов детально разведанных участков, сокращается производительность комплексов очистного оборудования, осложняется проведение и поддержание горных выработок, повышаются потери угля в недрах, ухудшаются условия безопасного ведения горных работ. Для планирования оптимального режима эксплуатационных работ важное значение имеет количественная оценка степени тектонической нарушенности угольных пластов.

Опыт внедрения передвижных механизированных крепей и комплексов показал, что они дают положительный экономический эффект не в любых горногеологических условиях. Наличие тектонических нарушений в пределах выемочного поля значительно ухудшает технико-экономические показатели работы комплексов, а зачастую является причиной их остановки и дорогостоящего демонтажа o6onvaoBaHuq.

Потери угля в целиках вблизи нарушений и на участках, интенсивно нарушенных дизъюнктными, при эксплуатации угольных месторождений достигают ежегодно десятков миллионов тонн. Отсутствие методики, позволяющей оценить влияние интенсивности тектонической нарушенности на полноту выемки полезного ископаемого, оценить зависимость величины потерь от параметров дизъюнктива, приводит на многих угледобывающих предприятиях к неоправданно большим списаниям в потери ценных запасов угля, ранее классифицированных как ‘'готовые к выемке". Вопросы планирования добычи угля требуют научнообоснованного подхода к определению потерь уг^тя в зависимости от степени тектонической нарушенности .месторождения и параметров встречающихся разрывных нарушений.

В связи с этим с начала 1971 г в лаборатории шахтной геологии и геомегризации недр ВНИМИ начаты исследования по

Я

оценке влияния дизъюнктивных нарушений на полноту выемки угля.

В целях получения более полной характеристики изучаемых закономерностей натурные наблюдения планировались с учетом возможно большего охвата шахтных полей, различающихся по характеру залегания угольных пластов, их тектонической нару-шениостн, применяемым системам разработки. Объектами исследований явились Чурубай-Нуринсхое и Карагандинское месторождения Карагандинского бассейна, а также Прокопьевско-Киселевское, Анжеро-Судженское и Ленинское месторождения Кузбасса.

Результаты исследований излагаются в настоящей работе. Методические указания составлены к.г.-м.н.Забродиным А.С. (научный руководитель), старшими научными сотрудниками Григорьевым В.Е. (ответственный исполнитель), к.т.н. Гарбером И.С., младшими научными сотрудниками Никулиным М. В., Кравченко О.А., Марининой Т.В.

РАЗДЕЛ 1. МЕТОДИКА КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ ДИЗЪЮНКТИВНОЙ НАРУШЕННОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

1.1. Количественные показатели дизъюнктивной нарушенносги угольных пластов

Интенсивность нарушенносги угленосной толщи характеризуется главным образом количеством разрывных нарушений, их протяженностью и амплитудой. Следовательно, наиболее полная опенка степени нарушенносги должна содержать все три перечисленных признака. Легче всего этого можно добиться путем оценки каждого из признаков в отдельности. Количество нарушений может быть оценено средним числом нарушений, приходящихся на единицу длины, плошади или объема; протяженность и амплитуда - их средними значениями и статистическими функциями распределения. Однако практически использовать оценку нарушенноети по отдельным признакам довольно затруднительно, так как их влияние на горные работы проявляется совместно. Поэтому необходимо разработать методику оценки степени нарушенносги, учитывающую в какой-то мере все эти признаки.

Исходя из этого, в качестве основного численного показателя интенсивности нарушенности предлагается величина /1,2/

где 21    - суммарная длина нарушений (в метрах) в преде

лах анализируемого участка, $ - площадь этого участка (в гектарах).

Как видно, показатель К^ зависит от количества и протяженности нарушений.

Так как разрывы с амплитудами более 20-30 м выявляются на стадии разведочных работ и учитываются при раскройке шахтных и выемочных полей, го на добычной процесс они почти не влияют. Основное же влияние оказывают нарушения с амплитудами 0,2-20,0 м, выявленные в процессе эксплуатации.

Нижний из указанных пределов фактически совпадает с нижним пределом амплитуды нарушений, отмечаемых но планах горных работ. Результаты исследований /10/ указывают на наличие тесной связи протяженности нарушений с их амплитудой. Таким образом, если брать с плана величину 21 ,то фактор влияния амплитуды смещений на оценку нарушенносги будет учитываться в достаточной степени.

5

Показатель нарушенное™ может быть непосредственно вычислен лишь на отработанных участках.

Для прогноза нарушенности на стадии подготовки шахтных и выемочных полей, а также в процессе эксплуатационной разведки предлагается использовать показатель нарушенности рассчитываемый по формуле

^К2 “ Г ’    0.2)

где    н    -    количество    разрывных    нарушений,    встреченных

проходимой выработкой, L - протяженность выработки, км.

Величины и связаны между собой следующими соотношениями:

а) в случае, если на данном участке нарушения ориентированы единообразно (т.е. представляют одну систему дизъюн-кгивов)

Рис.1.1. Взаимосвязь показателей К. и для шахтоппасгов П рок опьевско-К нее невского (о) и Карагандинского (+)бассейнов

ти. Подсчет по слишком малым по площади участкам представляется недостаточно достоверным. По экспериментальным данным площадь участков подсчета должна быть соразмерной с основной рабочей единицей угольной шахты - выемочным полем. Так, например, для Прокопьевско-Киселевского месторождения Кузбасса подсчет К. рекемендуегся вести для участков с размерами не менее 200* м по простиранию и 80-100 м по падению, а для Караганды соответственно 250 м и 150 м. Для меньших по площади участков погрешность определения К^ значительно увеличивается.

На рис.1.2 иллюстрируется пример подсчета показателей нарушенное™ для участка пласта Пятилетка на одхте 'Черная гора' Прокопьевско-Киселевского месторождения Кузбасса.На

7

Рис.1.2. Проекция угольного пласта на вертикальную плоскость. Шахта 'Черная гора', пл.Пятилетка. Коэффициент дизъюнктивной нарушеиности пласта К.и 280 м/га: 1 - проекции линий пересечения пласта и днэъюнктивов на вертикальную плоскость; 2 - отработанная часть угольного пласта; 3 - горные выработки