Министерство угольной промышленности СССР ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА ВНИМИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по геометризации и прогнозу разрывных нарушений в пределах выемочных участков для шахт Кузбасса

_;>

Ленинград

1973

МИНИСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА ВНИМИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПО ГЕОМЕТРИЗАЦИИ И ПРОГНОЗУ РАЗРЫВНЫХ НАРУШЕНИЙ В ПРЕДЕЛАХ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ ДЛЯ ШАХТ КУЗБАССА

Ленинград

1973

басса такая зависимость была установлена между полной ( R ) и нормальной (стратиграфической N ) амплитудами, которая выражается отношением

R/N *2    (1.5)

Подобное соотношение объясняется своеобразным геометрическим взаиморасположением плоскостей пласта и смести теля, которые, как это видно чз рис. 1.7. могут иметь место при следующих условиях:

Рис. 1.7

1)    двугранный угол ( ы ) между плоскостями пласта н сместите ля должен быть равен 30°;

2)    угол 0    ,    образованный    нормалью ( N ) к пласту

и линией перемещения ( fc ), не должен превышать 60^

3)    угол & между направлением перемещения ( R ) и линией скрещения (С) пласта со сместителем, намеряемый в плоскости сместите л я близок к 90 °.

Только при наличии таких угловых соотношений нормальная амплитуда будет равна половине истинной (как катет, лежащий против угла в 30°, в прямоугольном треугольнике С.ОС, см. рис. 1.7).

Постоянство угловых соотношений между перечисленными элементами пласта н сместителя (в 70% случаев) и определяет наличие корреляционной связи между полной и нормальной амплитудами для диэъюнктивов Кузбасса (рис.1.8). Подтвер-

Рнс.1.8

ждением этому могут служить и графики, приведенные выше (см.рис.1.4 и 1.5), на которых показана зависимость высоты и длины сместителя от нормальной амплитуды, выраженная уравнениями вида:

Н * 40 N L ~ 120N .

11

Наличие подобной корреляционной связи позволяет в соотношении (1.4) заменить полную амплитуду ( R ) на нормальную ( N ), в связи с чем оно примет вид:

N i Н : L * 1 S 40    : 120    (1.8)

Указанные особенности отроения и количественные соотношения между параметрами разрывных смещений дают возможность прогнозировать основные характеристики дизъюнктива, а также направление его развития или затухания.

1.4. Примеры эпюр дизъюнктивов

Рассмотрим в качестве примера эпюры некоторых днэьюнк-тивов, смещающих как единичные пласты, так и свиты сближенных пластов с углами падения от 15 до 70°, на примере шахт Прокопневского и Анжерского месторождений.

1.4.1. Прокопьевское месторождение

По шахте "Коксовая* приведено пять эпюр (рис.1.9).две из которых построены по данным отработки трех горизонтов, а три - по данным двух горизонтов. На рис.1.6,а приведена половина эпюры смести те ля, вскрытого горными выработками по простиранию до выклинивания на гор.-100, -200 и -300 м. Максимальная полная амплитуда перемещения ( R ), равная 21,0 м, отмечена на гор.-100 м по пласту Ш Внутреннему.

В Направлении падения сместителя амплитуда постепенно уменьшается от 15,0 м на гор.-200 м (пласт III Внутренний) до 2,0 м на гор.-ЗОО м (пласт II Внутренний). Угол ^ (угол между направлением штрихов скольжения и простиранием сместителя) колеблется от +70 до +80°. Висячее крыло смешено по этому направлению вверх, образуя в плане и в разрезе вкрест простирания сместителя перекрытие пластов. По этим признакам диэъюнктив может быть отнесен к взбросу с активным перемещением висячего крыла вправо - вверх относительно простирания сместителя. По построенной половине эпюры дизъюнктива можно определить положение осей и размеры сместителя, а также сделать заключение о направлении его развития. Половина длины (1/2) сместителя, определенная по контуру нулевой нэоамплитуды, равняется приблизительно 600 м, а высота Н, совпадающая с направлением следов скольжения, равна 250 м. Направление длины сместителя почти совпадает с его простиранием (составляя угол в 25°), что обуславливает быстрое его затухание на нижележащих горизонтах. Максимальная амплитуда на гор.-ЗОО м не превысит 5-7 м и будет отмечена при вскрытии пласта IJJ Внутреннего в точках А-А¹    (см.рис.1.9,а), а полное его аыкли-

12

нивание по пластам И и IJI Внутренний (с учетом увеличения угла падения сместителя от 56 до- 78°) ожидается вблизи гор. -400 м.

Дизъюнктив, изображенный на рис. 1.9,6 половиной его эпюры, классифицируется как вэброоосдвиг с относительным перемещением висячего крыла в направлении следов скольжения под углом у , равным 30-40 . Размеры сместителя, определенные на половине эпюры, составляют: высота ~ 260 м, половина длины ~ 400 м при максимальной амплитуде перемещения в 10 м. Длинная ось сместителя располагается вблизи линии его падения (отклоняясь на угол, равный 30°), что обусловливает (при относительно небольшой амплитуде) развитие дизьюнктива на значительную глубину - до гор.-300 м, где амплитуда перемещения достигает 1,5 м. По мере углубления горных работ ожидается постепенное уменьшение амплитуды, и на горизонте с отметкой -400 м смещения пластов данным сместителем не предвидется.

На рис.1.9,в показана половина эпюры дизьюнктива взбрососдвигового типа, построенная по данным отработки пластов Характерного, Горелого, Лутугинского и Прокопьевск ого на горизонтах -100 и -200 м. Данный сместитель прослежен горными работами по простиранию до выклинивания на обоих горизонтах. Максимальная амплитуда перемещения ( R- ), отмеченная на гор.-ЮО м по пласту Лутугинскому (7,5 м), постепенно уменьшается по мере углубления и достигает 2,5 м на гор.-200 м по пласту Горелому.

По замеренным штрихам скольжения (угол у -+30-40 ) и нулевой иэоамплитуде сместителя можно определить положение его осей и размеры: высоту, равную 130 м, и половину длины, равную 220 м. По характеру изменения амплитуд и положению контура нулевой иэоамплитуды можно сделать прогноз о том, что данный сместитель выклинится вблизи гор.-300 м.

На рис. 1.9,г. изображена половина эпюры дизьюнктива .построенная по данным отработки гор.-200 и -300 м. Максимальная истинная амплитуда перемещения в 9 м отмечена на гор. -300 м по пласту IJI Внутреннему, в направлении восстания сместителя она постепенно уменьшается от 5,0 м на гор.-200м до нуля на гор.-ЮО м, По простиранию на обоих горизонтах сместитель прослежен горными работами до выклиниваиия.что дает возможность с достаточной степенью достоверности оконтурить верхнюю половину сместителя изолинией нулевых амплитуд. По контуру нулевой иэоамплитуды легко определяется положение и размеры короткой оси сместителя (высота Н -Н равна 150 м), направление которой совпадает с замеренными штрихами скольжения (угол у —160°). Перпендикулярно истинному направлению перемещения, т.е. высоте, располагается длинная ось, которая совпадает с линией падения смести-

геля. Учитывая крутое залегание оместителя (60-70°) и совпадение с его падением длинной оси, можно предположить развитие дизъюыктива и на более глубокие горизонты. Для определения истинных размеров сместителя необходимо достроить нижнюю половину эпюры дизъюнктива. Допустим, что на гор.-ЗОО м сместитель имеет максимальные размеры, тогда, используя след сместителя, на этом горизонте как ось симметрии, достраиваем вторую половину эпюры (изоамплитуды на рис. 1.8,г проведены пунктирными линиями). Из проведенного построения видно, что сместитель (при указанном выше допущении) будет иметь некоторое развитие на гор.-400 м и затухнет при приближении к горизонту с отметкой -500 м.

Эпюра дизъюнктива, приведенная на рис.1.9,д, построена по данным отработки гор.-200 и -300 м, в пределах которых сместитель прослеживается горными работами по простиранию до выклинивания. Максимальная амплитуда в 7,0 м отмечена по пласту 1 Внутреннему на гор.-200 м. По мере углубления горных работ амплитуда смешения по пластам постепенно уменьшается. Проведение линий скрещения одноименных пластов и установление точек их выклинивания А,Б,С,Д и Е соответственно для пластов III, II, 1 Внутренних, Характерного и Горелого дает возможность оконтурить сместитель нулевой изоамплитудой в направлении его падения, вблизи горизонта с отметкой -400 м. На гор.“100 м горные работы не велись, поэтому о характере распределения амплитуд в направлении восстания сместителя можно судить только предположительно, так как верхняя половина эпюры сместителя (от короткой оси Н-Н вверх) построена путем экстраполяции ее нижней части, где за ось симметрии принят след сместителя на гор.-200 м.Прове-денне нулевой нзоамплятуды контура сместителя и наличие замеренных штрихов скольжения (угол J -+145°) позволяет однозначно определить положение его осей и направление перемещения, показанного на рис.1.8,д линией Н-Н, по которой висячее крыло смещено влево-вверх под углом менее 45° относительно простирания сместителя. По этому признаку днзъ-юнктив может быть отнесен к взброс ос двнгу, имеющему следующие размеры: высота - 180 м, длина - 480 м при максимальной полной амплитуде перемещения R в 7,0 м.

Все приведенные выше примеры построенных эпюр дизъюн-ктивов выполнены с учетом направления замеренных штрихов скольжения и по достаточно большому количеству точек (не менее 8), характеризующих изменение амплитуд сместителя от максимальной до нулевой в пределах двух или трех отработанных горизонтов, что позволяет оконтурить сместитель нулевой нзоамплитудой, определить положение его осей и, следовательно, дать уверенный прогноз о развитии или затухании диэъ-юнкгива на нижележащие горизонты. В четырех из пяти при-

15

УДК [622.] : 55] : 551.24

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящие 'Методические указания . . / составлены в результате исследований, проведенных на тектонически нарушенных месторождениях Кузбасса - Прокопьевском, Анжерском и частично Ос новском. Всестороннее изучение строения разрывных нарушений в угленосных, породах указанных месторождений позволило расширить представления о геометрических и структурных особенностях дизъюнктивов и разработать ряд эффектив-еых методов прогноза их элементов и параметров.

В первой главе 'Указаний' дается теоретическое обоснование установленным закономерностям в строении дизъюнктивов и детально рассматривается методика построения эпюр дизъюн-ктива как основы для прогноза его размеров, формы я области распространения.

Вторая глава посвящена методам определения ориентировки осей тектонических напряжений! являющихся важным элементом при расшифровке истории формирования тектонических структур и диагностике типов дизъюнктивов.

В третьей главе последовательно рассматриваются основные элементы дизъюнктива и предлагаются различные методы их определения и прогноза в зависимости от конкретных исходных данных.

'Указания' предназначены для работников геолого-маркшейдерской службы угольных шахт, которым в процессе производственной деятельности приходится решать задачи, рассмотренные в настоящей работе.

Работа выполнена под научным руководством канд.-геол,-мин.наук А.С.Забродина. В составлении 'Указании' принимали участие А.С.Забродин, Н.И.А\ишин, С.Д.Тихонова, Ю.Н.Дупак, Г.А.Любггч.

(с) Всесоюзный научно-исследовательский институт горной геомеханкки и гларкшэйдерского дела (ВНИМ4), 1973.

ГЛАВА 1.МЕТОДИКА ГЕОМЕТРИЗАЦИИ ДИЗЪЮНКТИВОВ

1.1. Образование и строение дизъюнктива

В соответствии с основными положениями теория прочности твердых тел, образование поверхностей разрушения в результате скола (сдвига) вызвано тем, что касательные напряжения, действующие на них, достигают предельной величины, зависящей от нормального напряжения и свойств материала. Объемное напряженное состояние массива характеризуется тремя главными нормальными напряжениями, действующими в трех взаимно перпендикулярных сечениях. Наибольшее сжимающее главное напряжение обозначается 63    ,    наименьшее    сжимающее

(наибольшее растягивающее) главное напряжение - 6₁ и промежуточное (среднее) главное напряжение - 6₂ .В ходе формирования геологических структур наступают моменты, когда главные нормальные напряжения, различаясь по величине ( 6j>6₂> О, ), достигают значений, превышающих предел прочности горных пород, что приводит к их разрушению. При этом образуются две системы поверхностей (трещин) скапывания, причем одна из систем, с падением навстречу силовому потоку, выражена более четко.

Положение трещин (сместителей) в пространстве определяется ориентировкой осей главных нормальных напряжений,действующих в массиве. Характер взаиморасположения сместителей с осями напряжений лучше всего рассмотреть иа примере построения пары сопряженных сместителей на сетке Каврайско-

Плоскости сопряженных сместителей 1 и 2 пересекаются по оси 6₂ н располагаются симметрично осям 63 и 6₁ .лежащим в плоскости перемещения (М), перпендикулярной оси 6₂    .    Линии

пересечения плоскости перемещения (М) с плоскостями сопряженных сместителей (TjO для 1-го и Г~0 для 2-го нарушения) отаечаюг направлению перемещения висячих крыльев дизъюнктивов относительно лежачих со плоскости

3

сместителя. Точки Г. и Г~ отстоят от оси 6₃ на угол f , отсчитываемый по дуге плоскости перемещения (М). Приведенная схема позволяет сделать следующие выводы: 1) ось 6_г (средних нормальных напряжений) совпадает с линией пересечения сопряженных смести гелей; 2) ось 6₂ и линия относительного перемещения крыльев взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости сместителя; 3) оси 6₅ и 6_t лежат в плоскости, перпендикулярной линии пересечения сопряженных сместитепей, и находятся с ними в постоянных угловых соотношениях: ось 6₃ составляет со сместнтелем угол ¥    ,    а

ось 6₁    -    угол    90°    -    У • Угол ¥    ,    называемый    углом

скалываиия, изменяется от 17 до 45°. Его величина зависит от состава и напряженного состояния пород.

Эти закономерности лежат в основе прогноза положения дизъюнктива в структуре и определении его типа. Для прогноза области развития отдельных дизъюнктивов решающее значение имеет установление истинных размеров и формы сместителя. С этой целью применен геометрический способ изображения разрывных нарушений, основанный на построении эпюр дизъюнктивов по известным амплитудам смещения (от максимального до нулевого значения).

1.2* Построение эпюры дизъюнктива

Существующие в настоящее время методы изображения разрывных нарушений не могут быть использованы для обоснованного прогноза направления развития или затухания диэьюн-ктива по изученной его части. Способ геометризации смести-телей, предусматривающий построение изогипс, дает представление о пространственном положении сместителя и, частично, о его размерах, но не позволяет судить о таких важных в практическом отношении свойствах дизъюнктивов, как форма, истинные размеры и характер распределения амплитуд перемещения на сместителе. Все эти характеристики можно определить только по эпюре дизъюнктива. Ниже рассматривается методика построения эпюр дизъюнктивов с использованием основной графики горногеологической документации на шахтах Анжерского и Прокопьевском месторождений Кузбасса.

Для построения эпюры выбирались диэъюнктивы, удовлетворяющие следующим условиям:

-    сместитель должен быть вскрыт горными выработками не менее чем на двух горизонтах (пластах);

-    на каждом горизонте (пласте) сместитель должен быть прослежен горными выработками по простиранию или падению до выклинивания.

Рассмотрим построение эпюры дизъюнктива для условий кру'ого и наклонного залегания пластов.

1.2.1. Построение эпюры сместителя на основе погоризонтных планов и вертикальных проекций

Установив характер развития днэъюнктнва на горизонте по планам горных работ и проверив правильность увязки его между горизонтами по вертикальным проекциям, копируем на один лист кальки следы пересечения сместнтеля с горизонтальной плоскостью на каждом отработанном горизонте. Вначале на одном из горизонтов копируем изучаемое нарушение, я для привязки наносим ближайшую разведочную линию или отдельные скважины. Затем, совмещая эти скважины с такими же на следующих горизонтах, копируем то же нарушение. На линиях следов сместнтеля показываем фактическое положенно смещенных пластов. Чтобы не загружать чертеж, сами пласты можно не котировать, а отметить только точки с вычисленными амплитудами перемещения (например, по кровле пласта), в том числе и точки с нулевым смещением. Подобными построег ниями получаем совмещенный план следов сместнтеля, вскрытого горными выработками на нескольких горизонтах (-100,

-200 и -300 м на рис. 1.2,а).

После того как получена выкопировка следов сместнтеля с планов горных работ нескольких горизонтов, необходимо плоскость сместнтеля совместить с горизонтальной плоскостью,что достигается путем вращения ее около какой-нибудь горизонтали. Для этого (рис.1.2,6) проводят линию (АБ) вкрест простирания сместителя и в масштабе плана (в нашем примере 1:2000) строят по ней разрез, начиная от среднего горизонта -200 м. Для горизонта -300 м из точки 8 на линии разреза выставляют перпендикуляр вниз и откладывают на нем расстояние, соответствующее разности отметок горизонтов -300 я -200 м. П слученную точку г соединяют с точкой Ь на линии разреза на гор.-200 м. Отрезок гд есть истинная длина сместителя между горизонтами -ООО и -200 м. Эту длину по линии разреза (АБ) откладывают в направлении падения сместителя и получают точку 8 _в лежащую на линии сместителя гор. (-300 м) в плоскости сместителя, совмещенной с горизонтальной плоскостью. Через точку 8 проводят лияию, параллельную следу сместителя на гор.-ЗОО м, и получают след горизонта (-300 м) в плоскости сместителя, совмещенного с горизонтальной плоскостью (на рис. 1.2,б пунктирная линия). Таким же путем, только при построении вверх от линии разреза (А Б), находится истинная длина сместителя между горизонтами -200 и -100 м ( дж ) и точка е' , через которую проводится вновь след сместителя гор.(-100 м)*После этого соединяют линиями концы максимальных амплитуд смещения на разных горизонтах:    И м иа гор.(-100 м),

^Ra6 м на гор.-200 ми R =*3 м на гор. (-300 м) и по-

5

луяают точку выклинивания ( L    У

его падения. Затем, проведя линии с пластов на разных горизонтах XX л я вис ев лизъюнкгива и продолжи ^{ки с} нулевой а к^гх лит уд. ой

для пластов 111 и И Внутренних,

Далее строят плоскость сместителя, соединяя концы новых линий следов сместителя гор.(-300), (“100) и гор.-200 м, а также точки выклинивания амплитуд ( L , 0^ и 0^) плавной кривой, т.е. получаем контур сместителя, совмещенного с горизонтальной плоскостью и ограниченного изолинией нулевых амплитуд смещения (в данном случае построена 1/2 эпюры).

1.2,2. Построение эпюры сместителя на основе горизонтальных проэкиий

Совместив по разведочным линиям и скважинам планы пластов, копируем на один лист кальки линии скрещения выбранного сместителя с этими пластами (рис, 1.3). На линиях скрещения показывают точки с замеренными амплитудами перемещения и их высотные отметки ( -М. \ Проградуи-140

руем линии скрещения по высотным отметкам и, соединив точки с одинаковыми отметками линиями, получим план поверхности сместителя в изогипсах. Для построения эпюры дизъюнхтива необходимо поверхность смести теля совместить с горизонтальной плоскостью, что достигается вращением наклонной плоскости сместителя вокруг какой-либо ее изогипсы.при этом линии скрещения займут положение, показанное на рис.1,3 штрихлунктирны-ми линиями. После этого соединяют плавной кривой концы линий скрещения (с нулевыми амплитудами) на разных пластах и получают поверхность сместителя, ограниченную нулевой изоамплитудой, совмещенную с горизонтальной плоскостью.

По вычисленным значениям истинных амплитуд перемещения на каждом горизонте (пласте) в контуре нулевых амплитуд сместителя можно провести изолинии. Проведение изоамплитуд

7

позволяет по конфигурация изолиний более точно представить форму и характер распределения амплитуд по сместителю,выявить ориентировку осей сместителя и определить его истинные размеры.

Эпюры диэъюнктнвов, построенные по данной методнке.для условий Прочопьевского ч Анжерского месторождений Кузбасса приводятся ниже.

1.3. Соотношение между основными параметрами диэъюнктива

На основании данных, полученных при построении эпюр днзъюнхтивов Анжерского и Прокопьевского месторождений Кузбасса, установлено, что сместнтели, как правило, имеют удлиненную, близкую к эллипсу форму, у которых можно выделить две взаимно перпендикулярные оси симметрии - короткую, названную высотой (Н), и длинную, названную длиной ( L ) сместителя. При этом следует иметь в виду, что с направлением короткой оси сместителя совпадает линия относительного перемещения крыльев диэъюнктива, а параллельно длинной оси располагаете** ось 6_г средних нормальных напряжений.

Основные параметры диэъюнктива - полная амплитуда перемещения (ft ), высота (Н) и длина С L ) сместителя -находятся между собой в определенной зависимости. Этот вывод находит подтверждение в характере графиков, приведенных на рис. 1.4-1.6, где показана зависимость высоты и длины сместителя от его полной амплитуды и величина соотношения осей сместителя. Несмотря на некоторые отклонения крайних значений от среднего, эти зависимости носят прямолинейный характер и могут быть выражены соответствующими уравнениями:

Если максимальную амплитуду перемещения ft принять за единицу, то для параметров диэъюнктива будет справедливо следующее соотношение:

ft : Н :L*1 : 20 : 60    (1.4)

Использование соотношения (1.4) для определения размеров сместителя значительно упрощается, если полную амплитуду ( R ) заменить на одну из видимых амплитуд смещения. Однако подобная замена возможна лишь при наличии корреляционной зависимости между этими величинами. Для условий Куэ-