455000 Челябинская область
г. Магнитогорск, ул. Комсомольская,
д. 17
+7 (902) 86-228-45
+7 (3519) 23-20-93

Горно – геологические и горнотехнические условия ведения подземных работ

Вверх на один уровень

Происхождение угля

Угли – твердые горючие ископаемые, образовавшиеся из отмерших растений.
Углеобразование – последовательное превращение отмерших растений в ископаемый уголь.

Процесс углеобразования протекал с различной интенсивностью в отдельные геологические периоды истории Земли на крупных площадях и локальных участках всех континентов, где сложились благоприятные условия (кембрий – палеозой, мезозой, кембрий - 400 – 60 млн. лет). Влажный жаркий климат способствовал быстрому росту пышной растительности. Растительность накапливалась, заливалась древними морями и реками, заносилась илом, песком. В результате биохимических реакций без доступа аэробных бактерий (без доступа воздуха) растительная биомасса постепенно превращалась в ископаемый уголь – бурый, каменный, антрацит. В результате геологической деятельности – опускания и поднятия морского дна, происходивших по несколько раз – образовалось много отдельных пластов угля, разделенных слоями пустых пород.

Виды ископаемых углей, их применение в народном хозяйстве

Бурые угли - 60-75% углерода, много влаги воды. Теплотворная способность их 5000-7200 ккал/ кг. При хранении на открытом воздухе они быстро выветриваются. Бурые угли используют обычно как энергетическое топливо. Некоторые сорта бурого угля являются сырьем для получения различных химических продуктов.
Каменные угли - 75-87% углерода, теплотворная способность их 7500-9000 ккал/ кг. Эти угли более крепкие, чем бурые, при ударе раскалываются на отдельные куски, по цвету -черные. Каменные угли применяют в промышленности для различных целей. Наиболее ценными являются коксующиеся угли, отличающиеся от обыкновенных каменных углей тем, что при обработке в специальных коксовых печах при температуре 750-1100° без доступа воздуха спекаются, образуя особый продукт - кокс, который применяют на металлургических заводах для выплавки чугуна в доменных печах. При этом из угля выделяются смола и газообразные продукты, из которых после соответствующей переработки изготавливают свыше 300 различных веществ, играющих важную роль в народном хозяйстве.
Антрациты - 87-98% углерода, полуметаллический блеск и раковистый излом, теплотворная способность 7600-9000 ккал/ кг. Цвет антрацита - бархатно- черный, очень крепкий, горит слабым пламенем или совершенно без пламени, почти не выделяет дыма и не спекается, он загорается труднее, чем каменный уголь и для сжигания требует большого количества воздуха, т.е. создания сильной тяги.

Угли подразделяются на технологические марки:

  • A - Антрацит
  • ПА - Полуантрацит
  • Ж - Жирный
  • К - Коксовый
  • К2 - Коксовый второй
  • Г - Газовый
  • Д - Длиннопламенный
  • ОС - Отощенный спекающийся
  • СС - Слабоспекающийся
  • Т - Тощий
  • КЖ - Коксовый жирный
  • ГЖ - Газовый жирный
  • Б - Бурый

По крупности кусков выделяют следующие классы:

  • Плитный (П) - 100-200 мм
  • Крупный (К) - 50-100 мм
  • Орех (О) - 25-50 мм
  • Мелкий (М) - 13-25 мм
  • Семечко (С) - 6-13 мм
  • Штыб (Ш) - 0-6 мм
  • Рядовой (Р) - 0-200 мм

Горные породы - природные минеральные агрегаты, слагающие оболочку (литосферу) Земли. Они подразделяются на коренные и наносные.
Коренные породы – это породы, залегающие на месте первоначального образования и не подвергавшиеся разрушению.
Наносы – это рыхлые осадочные породы, которые образовались в результате разрушения коренных пород (выветривание, размыв водой и пр.).

Коренные породы по происхождению делятся на три класса:

  1. Осадочные, которые образовались при осаждении веществ на дне водных бассейнов, на поверхности материков. Особенностью их является слоистость, т.е. чередование слоев различного состава. К ним относятся: уголь, аргиллит, алевролит, песчаник, известняк, глина и др.
  2. Магматические, которые образовались в результате застывания на поверхности Земли или в недрах земной коры магмы. Гранит, сиенит, диабаз, базальт и др.
  3. Метаморфические, образовались из осадочных и магматических в результате изменения (метаморфизма) под влиянием высокой температуры и давления. Кварциты, мрамор.
Верхняя часть земной коры, непосредственно доступная изучению, до глубины 20км сложена на 95% изверженными породами, на 4% - метаморфическими, 1% - осадочными.
Горная порода, которая может быть использована человеком для различных целей, называется полезным ископаемым.
Горные породы, вмещающие полезные ископаемые, называются пустыми породами. Деление пород на пустые породы и полезное ископаемое – условно

В природе полезные ископаемые могут встречаться в твердом (каменный уголь, руды, драгоценные камни, мрамор и пр.), жидком (нефть, вода, рассолы) и газообразном состоянии ( различные газы).
Естественные скопления полезного ископаемого в земной коре, называются месторождением полезных ископаемых.
Месторождения могут быть коренными и россыпными.

Горные породы под действием сил земного притяжения находятся в сжатом напряженном состоянии, которое до проведения выработки является равновесным и устойчивым. Пустоты, образованные в результате горных работ, нарушают это равновесие. В массиве, окружающем выработку, возникают напряжения – неуравновешанные силы, которые называют горным давлением.
Горное давлении проявляется: в виде прогиба, растрескивания и обрушения горных пород, стреляния, вывала бортов выработок, пучения почвы, горных ударов пр.

Свойства горных пород обуславливаются их составом и строением.
К физическим свойствам относятся такие параметры, как: плотность, упругость, прочность, тепловые, магнитные, электрические и прочие свойства.
Горнотехнические свойства – это крепость, абразивность, твердость, буримость, взрываемость и пр.
Изменение одних свойств, ведет к изменению других свойств.
Пример: увеличение пористости ведет к снижению плотности, прочности, упругости, теплопроводности, водопроницаемости и пр.

Свойства горных пород – горнотехнологические параметры – используются для расчетов производительности различных агрегатов, нормирования труда горнорабочих.
К ним относятся: строение и сложение пород, слоистость, прочность, крепость, пористость, вязкость, упругость, твердость, абразивность, пластичность, хрупкость, буримость, разрыхляемость и др.
Строение и физические свойства горных пород обуславливают безопасное и эффективное ведение горнопроходческих и очистных работ.
Состояние и свойства пород определяют способ проведения выработок, тип и плотность крепи подготовительных выработок.
Проявление горного давления и устойчивость выработок в значительной степени зависит от плотностных, водно – физических, прочностных и деформационных свойств пород.
Плотностные свойства – это плотность, объемная масса, удельный вес, объемный вес, насыпная объемная масса и пористость.
В свою очередь пористость определяет водопоглащение, водопроницаемость, газопроницаемость, прочность.
Вводно-физические свойства горных пород – естественная влажность, водопоглащение, размокаемость, размягчаемость, разбухаемость.

Например: абразивность – это способность горной породы изнашивать узлы и детали горных машин, горного инструмента. Чем выше абразивность, тем прочнее должен быть горный инструмент, тем выше его стоимость.
Применяются различные классификации горных пород: по углу падения, по мощности, крепости, устойчивости, обрушаемости и пр.


Элементы залегания угольных пластов (мощность, угол падения, простирание)


Пласт-тело плитообразной формы, состоящее из сравнительно однообразной горной породы.
Пласты могут иметь а) однородное (простое) и б) сложное строение.

Тонкие слои пустой породы, заключенные в пласте, называют прослойками.
Угольные месторождения обычно состоят из свиты пластов и пропластков.
Простирание – направление линии пересечения плоскости пласта с горизонтальной плоскостью.
Падение- направление линии, лежащей в плоскости пласта и перпендикулярной линии простирания, а линия наз. линией падения.

Угол, образованный плоскостью пласта с горизонтальной плоскостью, наз. углом падения.

Классификация угольных пластов по углу падения.
  • пологие - 0 - 18 градусов;
  • наклонные -19 – 35 градусов;
  • крутонаклонные - 36 – 55 градусов;
  • крутые - 56 – 90 градусов.

Породы, в которых залегает угольный пласт – называют вмещающими или боковыми породами.
Породы, находящиеся над пластом называют кровлей, или висячим боком.
Породы, находящиеся под пластом называют почвой или лежачим боком.
Мощность пласта – расстояние по нормали между почвой и кровлей.

По мощности пласты делятся:

  • весьма тонкие – до 0,7 м.;
  • тонкие - 0,71 – 1,2м.;
  • средней мощности – 1,21 – 3,5м.;
  • мощные - свыше 3,5м.

Элементы залегания угольных пластов.

Породы, залегающие над пластом полезного ископаемого, называются кровлей или висячим боком.
Породы, залегающие ниже пласта - почвой или лежачим боком.

В зависимости от расположения отдельных слоев боковых пород по отношению к угольному пласту и по способности их к обрушению и сдвижению, различают ложную, непосредственную и основную кровли и ложную, непосредственную и основную почву.

Ложная кровля – лекгообрушающийся слой пород незначительной мощности (до 0,5-0,6м), залегающий непосредственно над пластом угля. Обрушается при выемке угля или через небольшой промежуток времени. Некоторые пласты не имеют ложной кровли. Ложная кровля обычно состоит из углистых и слабых аргиллитов.
Непосредственная кровля – толща пород, которая залегает над пластом или ложной кровлей, легко обрушается не небольших площадях после удаления индивидуальной крепи или передвижения механизированной крепи очистной выработки. Чаще всего представлена алевролитами и аргиллитами.
Основная кровля – толща крепких, устойчивых пород, залегающих над непосредственной кровлей, обрушающихся при значительной площади обнажения. Сложена известняками, песчаниками и реже – крепкими аргиллитами.
Ложная почва – слабые, легкоразрушающиеся породы мощностью 0,3 – 0,4м, залегающие непосредственно над пластом.
Непосредственная почва – толща пород, залегающая непосредственно под ложной почвой или пластом угля. С ней связаны явления пучения, сползания её на крутых пластах, вдавливания в нее крепи.
Основная почва – толща пород, залегающая ниже непосредственной почвы.

Устойчивость и характер обрушения пород в очистном забое в большей степени зависит от способности пород расслаиваться. Большое значение при этом имеет мощность слоев, на которые расслаивается порода. Расслоение едет по прослойкам слабых пород, и для этого достаточно , чтобы в крепкой породе был хотя бы один тонкий (доли миллиметра) сплошной прослоек слабой породы.

Породы по слоистости разделяются на:
  • весьма тонкослоистые – толщина слоя менее 0,2м;
  • тонкослоистые - 0,2 – 1м;
  • среднеслоистые - 1 – 3м;
  • крупнослоистые - 3 – 10м;
  • весьма крупнослоистые - более 10м.

Большое влияние на горные работы оказывает трещиноватость горных пород.
Трещиноватость – совокупность трещин разных размеров и разного происхождения, которые разделяют массив пород на отдельные блоки.
Трещина – это разрыв сплошности массива горной породы.
Трещины ослабляют массив горных пород. По трещинам может наблюдаться выход воды и газов.

Трещины бывают:

  • эндогенные – результат усадки вещества в процессе его образования;
  • экзогенные – результат нарушения равновесия на более поздних стадиях в результате тектонических процессов;
  • трещины от горного давления – результат горных работ.

Степень трещиноватости – число трещин на 1м2:

  • нетрищеноватые;
  • слаботрещиноватые – с одной системой трещин при расстоянии между ними более 1м;
  • среднетрещиноватые – с двумя системами взаимнопересекающихся трещин при расстоянии между ними более 1м;
  • сильнотрещиноватые – с несколькими системами трещин, расположенных на расстоянии до 0,5м;
  • весьма сильнотрещиноватые - с несколькими системами трещин, расположенных на расстоянии менее 0,2м;
  • Устойчивость обнажений горных пород. Устойчивость – свойство горных пород образовывать устойчивые обнажения при ведении горных работ. Это состояние обнаженного незакрепленного участка массива пород, при котором в течение необходимого по условиям производства времени не происходит обрушения или сползания пород.

Классификация пород кровли по устойчивости

Класс кровли          Характеристика устойчивости
  • Неустойчивая - Без крепи обрушается вслед за подвиганием забоя
  • Слабоустойчивая - В призабойной полосе шириной до 1м. устойчива в течение 2-3ч
  • Среднеустойчивая - В призабойной полосе шириной до 2м. устойчива до 1 сут
  • Устойчивая - В призабойной полосе шириной до 2м. устойчива до 2 сут
  • Весьма устойчивая - В призабойной полосе шириной 5-6м. – длительно устойчива

От устойчивости кровли в значительной степени зависят успешность отработки пласта, выбор типа и конструкция крепи и способа управления кровли.

Обрушаемость кровли угольных пластов

Породы кровли обладают различной склонностью к обрушению. При управлении кровлей полным обрушением различают первую, первичную посадки и вторичную осадку.

Первая посадка производится (при работе механизированного комплекса – происходит) при отходе очистного забоя от разрезной печи на определенное расстояние. В зависимости от свойств пород кровля, опирающуюся с четырех сторон на уголь, может длительное время не обрушаться, зависая на расстоянии до 50-80м от разрезной печи. Поэтому прочные породы кровли обрушают с помощью взрывных работ (при индивидуальной крепи).

После первой посадки производят регулярное обрушение (шаг посадки) непосредственной кровли вслед за подвиганием очистного забоя, которое называют первичной посадкой.

Породы основной кровли часто зависают в виде консольных плит. По мере подвигания очистного забоя размеры консольной плиты увеличиваются и в некоторый момент времени она обрушается. Обрушение консольной плиты называют вторичной осадкой.


Геологические нарушения в залегании угольных пластов

Нарушения бывают двоякого рода:
  1. Происшедшие во время образования пласта;
  2. Происшедшие в пласте после его образования

К нарушениям первого рода относятся:
  1. Выклинивание пласта - постепенное уменьшение мощности, иногда до полного исчезновения;
  2. Вздутие пласта - резкое увеличение его мощности на определенном участке
К нарушениям второго ряда относятся:
  • Сдвиг - разрыв пласта и перемещение части его в горизонтальном направлении;
  • Сброс - перемещение пород висячего бока вниз по линии разрыва;
  • Взброс - перемещение пород висячего борта вверх по линии разрыва.

Антиклиналь - Складка обращена своей вершиной вверх. Вершина такой складки называется седлом.
Синклиналь - складка обращена вершиной вниз. Нижняя часть синклинали называется мульдой.

Горное давление

Горное давление – это силы (напряжения), возникающие в массиве пород, окружающих горную выработку. Проявляется: в виде прогиба кровли, вспучивания почвы, растрескивания, сдвижения, деформации и разрушения пород вокруг выработки, раздавливание и отжиме целиков угля, увеличения нагрузки на крепь, внезапных выбросах угля и газа, горных ударов и пр.
Горное давление зависит от глубины расположения выработки, физико – механических свойств горных пород (трещиноватости, крепости, управляемости, обрушаемости и тд.), мощности и угла залегания пластов, размера поперечного сечения выработки, способов выемки угля, механической характеристики крепи и многих других параметров.
Эффективность и безопасность горных работ в значительной степени зависят от характера проявления горного давления и от умения управлять им.
Управление горным давлением (кровлей) – совокупность мероприятий по регулированию проявлений горного давления в призабойном пространстве очистной выработки и прилегающих к ней подготовительных выработок с целью обеспечения безопасности работ и необходимых производственных условий.

Гипотезы горного давления.

Горные породы в нетронутом массиве находятся в состоянии напряженного равновесия. При очистных работах равновесие в массиве нарушается и происходят сложные, многообразные не полностью изученные процессы. Имеется несколько гипотез (научных предположений) о проявлениях горного давления в зонах очистных работ.

Гипотеза консольных плит.

Условные обозначения
  1. Основная кровля
  2. Непосредственная кровля
  3. Пласт угля
  4. Призабойное пространство
  5. Обрушенная непосредственная кровля
  6. шаг обрушения кровли

Согласно этой гипотезе породы непосредственной кровли над призабойным пространством после первого обрушения рассматриваются, как консольная плита, опирающаяся на массив угля и удерживается от обрушения массивом угля, а также крепью выработки. Давление на крепь определяется массой консоли пород непосредственной кровли. Основная кровля опирается на нетронутый массив и обрушенную непосредственную кровлю, прогибается и обрушается на значительном расстоянии от забоя.

Гипотеза шарнирных блоков

Непосредственная кровля беспорядочно расслаивается и разрушается на мелкие куски, подбучивая основную кровлю. Основная кровля разрушается на крупные блоки, которые поворачиваются в «шарнирах» без выпадания отдельных частей, укладываются на обрушенные породы непосредственной кровли.

Опорное давление. Зоны пониженных напряжений.

При разработке пласта длинными забоями с обрушением пород кровли происходит перераспределение напряжений в породах кровли и образования вблизи контура выработанной площади краевых зон, находящихся под действием опорного давления.
Опорное давление – это повышенное (по сравнению с первоначальным, существовавшим до разработки пласта) давление нависающих пород, действующее по опорному контуру обнажения. Опорное давление действует перпендикулярно к пласту.

Новости
ООО «Промышленная Компания РосУголь»
г. Магнитогорск , 2009г.
Изготовлено: «Prime»
Дизайн: Черкасова Н.Д.