Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Закономерности формирования инженерно-геологических условий месторождений в терригенных породах Центрального Казахстана

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Закономерности формирования инженерно-геологических условий месторождений в терригенных породах Центрального Казахстана"

9 <

- И У

Государственный комитет РСФСР по делам науки и высшей школы

Ленинградский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени горный институт имени Г.В. Плеханова

На правах рукописи.

БАЙБАТЧАЕВ Аднльхан Бегильдаевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В ТЕРРИГЕННЫХ ПОРОДАХ ЦЕНТРАЛЬНОГО КАЗАХСТАНА

Специальность 04.00.07-Инженерная геология,

мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Ленинград-1991

Работа выполнена в Карагандинском ордена Трудового Красного Знамен»; политехническом институте.

Официальные оппоненты - доктор геолого-минералогических

наук, профессор Дашко Регина Эдуардовна

- доктор геолого-минералогических наук, профессор

Фромм Вилли Викторович

- доктор геолого-минералогических наук, профессор

Голицын Михаил Владимирович

Ведущая организация - ордена Трудового Красного Знамени

институт геологических наук имени акад. К.И.Сатпаева АН КазССР.

Защита диссертации состоится "/3" 1991 г.

в час. " Зо " мин. на заседании специализированного совета

Д 063.15.07 при Ленинградском горном институте имени Г.В.Плеханова по адресу: 199026, Ленинград, 21-я линия, д.2, ауд.£У5#.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 1991

г.

Ученый секретарь специализированного

совета, доцент А.В.Кузьмин

Г- ;

I ' ......~

тдзд

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. С терригенным комплексом пород пространственно и генетически связаны все угольные бассейны и до 25% мировых запасов цветных металлов, а также множество месторождений неметаллического сырья. Терригенные породы характеризуются весьма широкой вариацией неоднородности и изменчивости состава, строения и свойств. Для отдельных участков одного и того же месторождения свойства слагающих его терригенных пород обычно изменяются в широких пределах, что обусловливает изменчивость условий производства горных работ. На Джезказганском месторождении и Карагандинском каменноугольном бассейне, где сосредоточены крупнейшие горно-добывающие предприятия страны, производство горных работ сопровождается различными опасными геологическими явлениями. Эти неблагоприятные геологические явления вызывают огромные материальные 1' нередко человеческие жертвы.

Разработано множество инженерных методов прогноза и управления геологическими явлениями в ослабленных горными выработками толщах. Однако из-за отсутствия надэжных исходных геологических данных потенциальные возможности этих методов остается не реализованными, а сами методы - зачастую практически малоэффективными. В связи с этим возникла актуальная проблема создания надежной геологической базы для решения задач горного производства, что требует прежде всего изучения и оценки инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых..

Исходные материалы. В основу диссертационной работы положены личные результаты 20-летних научных исследований автора на угольных и рудных месторождениях Центрального Казахстана, пред-ст '.эляющих собой уникальные и крупные по запасам сырьевые базы страны. В работе обобщены результаты полевых инженерно-геологических работ, лабораторных экспериментов и натурных исследований в горных выработках строящихся, действующих и погашенных шахт с использованием данных испытаний более 20 тыс. образцов пород и документации 50 тыс. пог.м керна.

Цель работы-.Разработка теоретических и методических положений анализа закономерностей формирования инженерно-геологических условий рудных и угольных месторождений в терригенных толщах

для оценки и прогноза возникновения и развития геологических явлений в горных выработках, повышения безопасности их проходки и надежности эксплуатации.

Идея и задачи исследований. Идея работы заключается в изучении зависимостей состава, свойств и состояния терригенных пород от геологических условий формирования и использовании их для прогноза возникновения и развития геологических явлений, влияющих на рациональное освоение недр, устойчивости горных выработок и безопасности горных работ.

В диссертации поставлены и решены следующие основные задачи:

1) выявить значение существенных элементов инженерно-геологических условий месторождений в терригенных толщах и создать основы их формирования;

2) разработать методол'Ьга) изучения и оценки состава и свойств терригенных пород в комплексе геолого-разведочных работ;

3) анализ природных и техногенных закономерностей проявления различных по форме и масштабам геологических явлений в горных выработках и подработанной толще застроенных территорий;

4) составить инженерно-геологическое обоснование и разработать классификацию пород по устойчивости в горных выработках;

5) разработать рекомендации по учету влияния изменчивости инженерно-геологических условий месторождений в прогнозах развития геологических явлений в горных выработках и обоснования мероприятий, обеспечивающих рациональное освоение и охраны геологической среды.

Методы исследований. Достижение поставленной цели основано на применении комплекса методов фундаментальных наук - геологии, физики, математики и химии, в том числе: методов систематизации данных о формах и условиях проявления геологических явлений в горных выработках; лабораторных и натурных исследований горных пород, геолого-историчеекого анализа условий их формирования и залегания; вероятностно-статистические методы обработки и анализа результатов исследований на ЭВМ.

Основные защищаемые положения:

I. Теоретическая разработка закономерностей формирования инженерно-геологических условий рудных и угольных месторождений Центрального Казахстана базируется на концепции приуроченности

этих месторождений к комплексу терригенных пород, сформировавшихся в аналогичных тектонических структурах и фациальных обста-новках, определивших специфику их современных свойств, состояния и условий залегания.

2. Инженерно-геологические условия рационального освоения Джезказганского рудного месторождения и Карагандинского каменноугольного бассейна представляют собой целостную систему, созданную историческим ходом их развития, наиболее существенными элементами которой являются: геологическое строение, -литологический состав, физико-механические свойства и естественное напряженное состояние пород терригенных толц, обусловливающие их поведение

в горных выработках.

3. Стадийность формирования физико-механических свойств терригенных пород угленосных и рудоносных толщ граувакково-квар-цево-полевошпатового состава неразрывно связана с характером их литогенеза, ката- и метагенетическими преобразованиями в результате активного проявления региональных и локальных геологических процессов.

4. Закономерности возникновения и развития неблагоприятных геологических явлений в горных выработках рудных и угольных месторождений обусловлены природно-техногенным состоянием подработанной терригеннсй толщи, которое определяется особенностями их инженерно-геологических условий и применяемой системы разработки.

5. Устойчивость, нормальные условия эксплуатации и безопасность проходки горных Еыработок в терригенных породах, определяются главным образом развитием техногенных геологических явлений: горного давления, деформации, разрушения, сдвижения и динамических форм.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) впервые пается теоретическая разработка закономерностей сформирования инженерно-геологических условий рудных и угольных месторождений Центрального Казахстана с целью их рационального освоения;

2) проведен анализ результатов изучения состава и физтао-механических свойств пород терригенных толщ, определяющих условия производства горных работ при разработке месторождений;

3) выявлена закономерная связь естественного поля напряжений в терригенных породах с современными тектоническими

структурами изученных месторождений полезных ископаемых;

4) выявлены условия возникновения геологических явлений и закономерности их развития, влияющих на устойчивость горных выработок и безопасность горных работ;

. 5) проведено инженерно-геологическое районирование месторождений полезных ископаемых по условиям производства горных работ, разработаны классификация терригенных пород по устойчивости в горных выработках и комплексный план мероприятий по охране геологической среды.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены: классическими теоретическими положениями геологии, литологии, инженерной геологии и механики горных пород; массовыми лабораторными экспериментами, полевыми исследованиями и натурными наблюдениями за развитием геологических явлений в горных выработках действующих и строящихся горно-добывающих предприятий.

Научное значение работы заключается в создании теоретических основ формирования и прогноза инженерно-геологических условий месторождений в терригенных толщах, раскрытии природы неоднородности и изменчивости состава, свойств и состояния терригенных пород и развития геологических явлений в горных выработках для обоснования безопасности ведения горных работ.

Практическая значимость работы состоит в том, что на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны: инженерно-геологические оценки и прогнозы физико-механических свойств терригенных пород, естественного поля напряжений в терригенных толщах, поведения пород и развития геологических явлений в горных выработках; рекомендации по учету изменчивости инженерно-геологических условий месторождений для расчета устойчивых конструктивных элементов горных выработок и охране геологической среды.

Реализация результатов исследований. Составлены и внедрены: инженерно-геологическое обоснование освоения месторождений Джезказган, Итауз и Жаман-Айбат; карты инженерно-геологического районирования шахтных полей для выявления ослабленных участков подработанной толщи застроенных территорий и повторной разработки оставленных в недрах запасов руд; классификация и карты устойчивости пород кровли рудных залежей и угольных пластов. Гео-

логический метод оценки физико-механических свойств терригекных пород при разведке глубоких горизонтов Джезказганского месторождения обеспечил экономический эффект 79,8 тыс.руб.

Апробация работы. Основные результаты научных исследований докладывались на Всесоюзных научных конференциях и симпозиумах в гг.Москве (1985,1950), Апатиты (1983), Свердловске (1984), Сарапуле -(1989), Фрунзе (1989), Перми (1989), Новосибирске (1990), республиканских и вузовских конференциях, научно-технических Советах ГИПРОцветмет, НПО Джезказганцветмет, ПГО Центрказгеология, Джезказганской ГРЭ.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 50 научных работах. Выполнены и внедрены научные исследования по 7 темам, разработанным по планам ГКНТ, АН КазССР, МУЛ и ЩМ СССР.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения общим объемом 266 страниц машинописного текста, содержит 39 таблиц, 49 рисунков, списка литературы из 230 наименований и 4 приложения.

Автор выражает глубокую благодарность профессорам В.Д.Лом-тадзе, A.M. Гальперину, М.А.Ермекову, Р.Э.Дапжо, И.П.Иванову за проявленное внимание и ценные консультации, а также всем специалистам научных, производственных и учебных заведений за доброжелательную критику м практическую помощь в проведении научно-исследовательских работ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современное состояние инженерной геологии месторождений полезных ископаемых. Инженерная геология месторождений по тезных ископаемых является успешно развивающимся научным нап-раьлением. Она призвана решать широкий круг геологических вопросов и практических задач горного производства, возникающих в связи с освоением месторождений полезных ископаемых. Инженерно-геологическое изучение месторождений должно обеспечить исходной геологической информацией: промышленную оценку, обоснование способов вскрытия и выбора системы' разработки месторождения; качественное проектирование строительства новых, реконструкции

действующих и повторной разработки погашенных горно-добывающих предприятий; рациональное планирование и безопасное ведение горных работ; соблюдение экологического равновесия геологической и окружающей среды.

Инженерная геология месторождений полезных ископаемых выделилась в самостоятельную науку благодаря трудам П.Н.Панюкова, Г.Г.Скворцова, М.В.Сыроватко, П.В.Васильева, В.Д.Ломтадзе, Г.А. Голодковской, С.И.Малинина, С.П.Прохорова, Б.В.Смирнова, C.B. Трояновского, И.П.Иванова, В.Е.Ольховатенко, В.В.Фромма и др.

Становлению и развитию инженерной геологии месторождений полезных ископаемых способствовали исследования в области механики и физики горных пород ученых: С.Г.Авершина, И.Т.Айтматова. И.В.Балашова, З.Бенявски, А.А.Борисова, Ц.И.Борщ-Компониеца, В.Т.Глушко, В.В.Гречухина, Й.С.Ержанова, М.А.Иофиса, Д.М.Казикаева, Б.А.Картозия, М.И.Койфмана, Г.Н.Кузнецова, Н.М.Мельникова, Л.Киллера, Г.Я.Новика, И.М.Петухова, М.М.Протодьяконова, В.В. Ржевского, А.А.Скочинского, В.Д.Слесарева, И.А.Турчанинова, Г.Л. Фисенко, Ю.И.Чабдаровой, С.Е.Чиркова, Л.Д.Шевякова и др.

Изучение инженерно-геологических условий проводится на каждой стадии разведки и освоения месторождения. Несмотря на большое количество работ и нормативных документов, полнота геологической информации в предпроектную стадию изучения месторождения обычно бывает недостаточная, поэтому уровень практического использования ее для рационального проектирования горных работ в целом еще низок. В этом сказывается, во-первых, недостаточное теоретическое изучение формирования инженерно-геологических условий месторождений с учетом сложного исторического хода их геологического развития; во-вторых, недостаточное знание геологической природы формирования физико-механических свойств и естественного напряженного состояния горных пород; в-третьих, отсутствие разработанных геологических методов оценки свойств горных пород и состояния нарушенной горными выработками толщи; в-четвертых, несовершенство методологии оценки и прогноза неблагоприятных геологических явлений в горных выработках; в-пятых, некоторое отставание теоретических исследований инженерно-геологических условий месторождений от запросов горного производства.

Особенности геологического строения месторождений в терри-

генных толщах. Верхнепалеозойские терригенные рудоносные и угленосные отложения Центрального Казахстана распространены в некогда единой области герцинских прогибов и впадин, расположенных между каледонскими структурами Казахской складчатой страны.

Карагандинский каменноугольный бассейн вытянут в широтном направлении и занимает площадь 3600 кв.км. Территория бассейна представляет собой слабо всхолмленную равнину. В геологическом строении бассейна участвуют каменноугольные, юрские и кайнозойские отложения. Угленосная толща карбона имеет мощность порядка 3500 м и разделена на шесть согласно залегающих свит: аплярикс-куга )» карагандинскую (С^4/3+8 кто!. ), надкараганцин-

скую (¿2 п-сСк), долинскую (C2¿f ), тентекскую СС^ Ъп) и шахан-скую (Сд^Ь. ). Основными продуктивными свитами являются карагандинская и долинская. Главное значение в разрезе угленосной толщи бассейна имеют различные песчаники (составляют 36%), алевролиты (30%) и аргиллиты (28%).

В тектоническом отношении Карагандинский бассейн приурочен к одноименному скнклинорию. Северный борт бассейна имеет относительно спокойное залегание с падением пород на юг под углом 5- ■ 25°. С юга бассейн ограничен Яалаирским надвигом, который сопровождается серией разломов и мелкой складчатости, падение пород от 40 до 70°, местами они опрокинуты. На западе площадь развития угленосных отложений бассейна ограничена крупным меридиональным-Тентекским разломом с амплитудой до 4-5 км. Восточной границей основных продуктивных свит служит меридиональный Майкудукский разлом с амплитудой до 3-4 км. Тентекский разлом падает на запад, а Майкудукский - на восток. Вблизи них угленосные породы падают практически вертикально, но их залегание не осложнено дополнительной складчатостью. Все это говорит о том, что со стороны этих разломов отсутствовали тангенциальное давление и породы угленосной толщи опускались по ним спокойно. В пределах бас-" с^йна выделяются три синклинали (с запада на восток): 'ШерубаЯ-н' эинская, Карагандинская и Верхнееокурская, которые разделены соответственно Алабасской антиклиналью и Майкудукским поднятием. Угленосные свиты бассейна характеризуются благоприятными гидрологическими условиями, по степени обводненности они относятся к слабо обводненным или не обводненным. На площадях развития пере-

крывающих водоносных четвертичных, палеогеновых и юрских отложений несколько осложняются условия вскрытия угленосных свит.

В геологическом строении Джезказганского месторождения медистых песчаников, имеющим равнинный и равнинно-холмистый рельеф, принимают участие каменноугольные, пермские и незначительно кайнозойские отложения. Нижний отдел каменноугольной системы представлен карбонатной толщей, сменяющейся в верхней части разреза терригенными образованиями, подстилающими основную рудоносную толщу- Джезказганская рудоносная толща разделяется на две свиты: таскудукскую СС2Ъэ ) и джезказганскую (Сдс1л), сложенные сероцветными и красноцветными песчаниками, алевролитами и аргиллитами с прослоями конгломератов. В составе таску-дукск\>й свиты выделяются три рудоносных горизонта (№№ 1,2,3), джезказганской - семь (И 4-10). На рудоносной толще согласно залегает красноцветная жиделисайская свита терригенных пород (Р|2^)> а на ней - кенгирская свита мергелей (Р2_2кп ),

Джезказганское месторождение расположено в пределах одноименной синклинали на участке сочленения меридионального Вост-очно-Улытауского и субширотного Теректинского глубинных разломов, характеризующихся длительным развитием и оказывающим сильное тангенциальное давление на рудоносную толщу. Тектоническое строение месторождения осложнено структурами второго (коробчатой формы мульды и купола, ограниченные флексурами) и более высоких порядков. Гидрогеологические условия месторождения-благоприятные, многие шахты практически сухие. Водопроявление отмечается в зонах флексур и тектонической трещиноватости.

Геологическое строение угольных и рудных месторождений в терригенных толщах региона при общем сходстве различается в деталях, что обусловливает изучения закономерностей формирования инженерно-геологических условий и оценки их самостоятельно в пределах каждого месторождения.

Теоретические основы оценки инженерно-геологических условий месторождений. Процесс инженерно-геологического познания горных пород, слагающих осваиваемые месторождения, основывается на фундаментальных исследованиях их геологических условий формирования и особенностей залегания. Проведение всестороннего исследования геологических условий формирования гор-

ных пород позволяет развивать теоретические и методологические положения оценки их состава, физико-механических свойств, состояния и прогноза геологических явлений в го^5нкх выработках.

Анализ отечественных и зарубежных литературных источников по основным горно-промышленным регионам, результатов наших исследований на месторождениях Джезказганского рудного района, Карагандинского "каменноугольного бассейна, Шубаркольскоы месторождении юрских каменных углей и Майюобенском буроугольном бассейне показал, что физико-механические свойства терригенных пород, их естественное напряженное состояние и поведение в горных выработках являются функцией многих геологических факторов, исследование которой требует системного подхода.

Разработка теоретических основ формирования инженерно-геологических условий месторождений в терригенных породах предусматривает решение определенного круга геологических задач, к которым относится изучение: состава материнских пород питающих провинций седиментационного бассейна, определяющего вещественный состав терригенных пород; подготовки исходного осадочного материала, условии его транспортировки к фациальной обстановки в се-диментационном бассейне; степени постседиментационных преобразований горных пород и их естественного напряженного состояния в зависимости от тектонического режима развития региона. Проведенные всесторонние исследования геологических условий формирования терригенных пород позволили познать природу изменчивости• их состава, физико-механических свойств и поведения в горных выработках.

Питающие провинции • и фации терригенных пород. Первичным фактором, определяющим состав и свойства терригенных пород, служат состав и состояние исходного осадочного материала. Поэтому процесс познания пород начинается с изучения вещественного состава их терригенных компонентов, являющихся результатом дифференциации.веще-тва ранее существовавшей суши в районе седиментационного1 бассейна. Основные приемы реконструкции питающих провинций разрабатывали В.П.Батурин, М.Г.Бергер, Ф.Петтиджан, Н.М.Страхов, Б.Д.Шутов и др.

Изучение вещественного состава горных пород Джезказганского рудного района, Карагандинского каменноугольного бассейна,

более древних пород прилегающих к ним районов и критический анализ данных В.М.Бекмана, М.В.Голицына, И.П.Дружинина, Л.Ф.Дуы^* лера, В.В.Копериной, Я.Ф.Наркелюна, И.В.Орлова, К.И.Сатпаева, З.П.Семеновой, Е.А.Слатвинской, П.Т.Тажибаевой, В.Д.Шутова и др., позволили восстановить направления сноса терригенного материала и разработать диаграмму формирования терригенных пород. Рудоносная и угленосная толщи изученных месторождений региона образовались из источников, представляющих собой сложную терригенно-минеральную провинцию. В формировании состава терригенных пород Цринимали участие близлежащие участки суши, сложенные интрузивными и эффузивными магматическими, разнообразными метаморфическими и осадочными породами. Граувакковый (обломки преимущественно мик^огранитов, кислых и средних эффузивов, кристаллических сланцев и кремнистых осадочных пород) и кварцево-полевошпатовый состав кластического материала рудовмещающих и углевмещающих пород предопределяет формирование высоких значений их прочности.

Инженерно-геологические условия месторождений в терриген-ной толще обусловливаются фациями, литогенетическими типами пород и их парагенетическими ассоциациями. По условиям образования в терригенной толще выделяются континентальные (А), переходные от континентальных к морским (П) и мелководные морские (М) отложения. Рудоносная толща Джезказганского месторождения расчленяется на 7 фаций и 12 литогенетических типов, а угленосная толца Карагандинского бассейна - на 7 фаций и 13 литогенетических-типов.

По петрографическому составу, структурно-текстурным особенностям породы терригенной толщи можно дифференцировать до 20 литологических типов, объединенных в пять основных групп: конгломераты, гравелиты, песчаники, алевролиты и аргиллиты. Наиболее распространенными и основными литологическими типами пород, образующих конструктивные элементы горных выработок, являются средне-мелко- и тонкозернистые песчаники, алевролиты и аргиллиты. Каждый выделенный литологический тип пород характеризуется присущими ему физико-механическими свойствами и поведением в горных выработках.

На основании представлений о природе поведения терригенных пород в обнажениях горных выработок можно предложить следующую фациальную модель условий их устойчивости. Менее прочные

аргиллиты и алевролиты, относящиеся к фациям прибрежных континентальных равнин СРП), отлагались в условиях частых перерывов в осадконакоплений, пересыхания с образованием интенсивных трещин уенхания. Маломощные слои разбивались на мелкие полигональные отдельности. При возобновлении осадконакопленил они размокали и затягивались, но грвницы раздела по трещинам и напластованию сохранялись в виде скрытых плоскостей ослабления. Аналогичные плоскости ослабления имеют такко породы фаций поименных равнин (АП) и мелководных озер (АО), представленные тонким переслаиванием аргиллитов, алевролитов и мелкозернистых песчаников. Породы перечисленных фаций в обнажениях выработок легко расщепляются под действием горного давления по заложенным в них природным плоскостям ослабления на мелкие блоки и быстро теряют устойчивость, а углистые аргиллиты фаций болот (БП и БЗ) формируют ложную кровлю выработок. Интенсивность протекания этих процессов возрастает при неблагоприятных гидрогеологических условиях и активной влажности рудничного воздуха. Породы прибрежных мелководных морских фации (МАК ) характеризуются сплошностью в латерали, плоскости ослабления развиваются только по наслоению, поэтому они обладают определенной устойчивостью. На их несущую способность влияют расслоение и трещпноватасть. Наиболее прочными, ме- -нее подверженными расслоению, устойчивыми породами являются мел-ко-среднезернисгне песчаники подводной части дельты (ИР), которые теряют свою устойчивость только в зонах интенсивной трещиновато-сти. Прочность п устойчивость конгломератов в зависимости от содержания, состава к размеров обломков изменяются о широких пределах.

П о с т с е д и м е н т а ц и о н н ы е преобразования и ф н з и к о - м с х а н и ч е с к и е с в о й с т з а т е р р и г е н н ы х пород. Терриген-ные породы в зависимости от возраста и приуроченности к определенному структурному ярусу (карбоновые толщи образуют герцинский с. руктурный прус, юрские - киммерийский) по степени преобразования органических веществ относятся к раннему (включают угли марки 2Г, ЗБ и Д), среднему (Г,Н,К) и позднему (0С,СС,Т) катагенезу и позднему метагенезу (антраксолиты).

В зависимости от стадии поетеедиментационного преобразования

терригенные породы, обладающие почти одинаковым вещественным составом и структурой, могут характеризоваться резко отличающимися физико-механическими свойствами. В табл. I приведены значения предела прочности при одноосном сжатии ( ^ с) и пористости (П) ыел-косреднезернистых песчаников, алевролитов и аргиллитов различных месторождений региона.

Таблица I

Изменение физико-механических свойств терригенных пород по стадиям постседиментационного преобразования

Породы и их свойства песчаники алевролиты аргиллиты

МПа П,% МПа П,% №1а Л,%

Майкюбенский, Шубар-кольское (ранний катагенез - ЗБ и Д) 20-40 12-17 15-25 15-20 10-15 15-20

Карагандинский (средний - Ж,К и поздний катагенез

- ОС, Т) 60-140 6-12 30-60 8-13 20-40 10-15

Джезказганское (поздний метагенез-

антраксолиты) 150-250 2-4 60-90 3-5 30-60 " 4-6

В раннем (начальном) катагенезе терригенные породы харак-теризугтся наличием неизмененного или слабоизмененного глинистого вещества в цементе и основной массе. Рентгеноструктурный.анализ показывает, что глинистые породы представлены каолинитом (74%), гидрослюпой (22) и в незначительном количестве присутствуют сыешаннослойные минералы (4%). Физико-механические свойства пород на глубинах до 100-120 м имеют следующие значения: плотность ^ = 1,8-2,0 г/см^, пористость П = 20-35%, предел прочности при одноосном сжатии бс не более 5-15 МПа и растяжении <5р по 1-2 Ша. На больших глубинах (до 300-500м) породы приобретают соответственно /> = 2,0-2,4 г/см3 П = 15-25%, ¿с от 10-15 (аргиллиты) до 35-45 МПа (песчаники) и с>р от 0,5-1

Бассейн, месторождение (стадия изменения пс^од - органического вещества)

(аргиллиты) до 2-3 Г.'Ла (песчаники).

В среднем катагенезе глинистые и тонкообломочные породы превращаются в плотные аргиллиты и алевролиты, слабые песчаники п прочносцементированные разности. По данным рентгеност-руктурных и термических анализов глинистое вещество пород представлено смешаннослойными соединениями (43%),'каолинитом (32%), гидрослюдой (16%) и хлоритом (9%). Физико-механические свойства пород в зависимости от литологических типов характеризуются следующими величинами: песчаники имеют У = 2,40-2,60 г/см3, П = 9-12%, ¿с = 50-100 КПа и öp = 2-6 МПа, алевролиты - J> = = 2,30-2,55 г/см3, П = 10-13%, ^с = 20-40 МПа и б> = 1-4 МПа, аргиллиты - ß = 2,25-2,50 г/см3, П = 10-15%, <ГС = Ю-25Ша и бр = 1-2 МПа.

Поздний этап катагенеза знаменуется появлением первых признаков структур растворения и внедрения под вдавливанием. В составе аргиллитов и цемента обломочных пород наблюдается заметная гидрослюдизация (до 55%) и хлоритизация (до 20%) глинистого вещества, начальная перекристаллизация карбонатов. Физические свойства терригенных пород имеют довольно стабильные значения, их плотность 2,50-2,65 г/см3, а пористость уменьшается-от 10-15 до 5%. Степень преобразования вещественного состава и физического состояния пород находит отражение в формировании их механических свойств, например, 6С и dp соответственно для песчаников 80-140 и 4-10 МПа, алезролитов 30-60 и 2-5 МПа и аргиллитов 20-40 и' 2-4 МПа.

В стадии метагенеза можно различать два этапа: ранний (начальный) и поздний (глубинный). Для начального метагенеза характерно появление антрацитов, гидрослвдизации, хлоритизации и серицитизации глинистых пород и признаков кристаллобластеза в кластических породах. Для позднего метагенеза характерны почти бесцементные песчаники, филлитоподобные алевролиты и аргиллиты, графитизированные антрациты и антраксолиты. В глинистых породах и в глинистом цементе кластических пород широко развита ассоциация диоктаэдрической гидрослюды 2Mj, серицита, хлорита, вторичного кварца и появляется диккит. Для стадии метагенеза характерным является образование карбонатно-кварцевых жил с бедной сульфидной минерализацией!

По перечисленному компле.-ссу признаков терригенные породы

рудоносной толщи Джезказганского месторождения относятся к стадии позднего метагенеза. В зависимости от степени преобразования рудоямещагощие породи имеют стабильные физические свойства: J' - 2,65-2,70 г/см^, П = 2-Ъ%. Механические свойства пород дифференцируются по литологическим типам следующим образом: песчаники среднезериистые имеют бс = 160-250 МПа, dp = 14-21 МПа, модуль Юнга Е = 60-72, коэффициент Пуассона V = 0,17 -С,21, мелкозернистые - <5С = 130-200 Ша, бр = 12-18 МПа, Е = = 59-66 ГПа, V = 0,18-0,22, тонкозернистые - ёс = 80-150 МПа, ¿р = 7-14 Ша, Е = 53-63 ГПа, = 0,20-0,24; алевролиты -б"с = 60-90 Ша, б> = 4-8 Ша, Е = 50-60 ГПа, * = 0,22-0,25; аргиллиты - ¿с = 30-60 .МПа, öp = 2-7 МПа.'Е = 43-51 ГПа, v = = 0,23 0,26 и конгломераты - = 80-150 Ша, ёр = 6-12 МПА, Е= 68-75 ГПа и =0,22-0,26.

На формирование физико-механических свойств терригенных • пород наряду с вещественным составом существенное влияние оказывают также типы контактов обломочных зерен, соответствующие стадиям их образования: точечные или без контактов висячие в цементе (ранний катагенез); плоские или выпукло-вогнутые (средний катагенез); конформные, инкорпорационные (позпний катагенез); инкорпорационныеу регенерационно-мозаичные (ранний метагенез) и микростилолитовне, сутурные (поздний метагенез).

Закономерности изменения вещественного состава, структуры и физико-механических свойств терригенных пород на различных этапах их катагенетического и метагенетического преобразования подтверждаются исследованиями многих авторов в других горнопромышленных регионах: В.Т.Глушко, А.Г.Коссовской, Н.В.Логвинен-ко, В.Д.Ломтадзе, С.И.Малинина, В.Е.Ольховатенко, Б.К.Прошляко-ва, Л.В.Пустовалова, Л.Б.Рухина, Б.В.Смирнова, Н.М.Страхова, В.В.Фромма и др.

Из опыта работы Н.В.Логвиненко в Донбассе и Причерноморской впадине коэффициент изменения структуры зернистых пород Kg для этапов катагенеза и метагенеза имеет следующие значения: катагенез ранний - менее 0,35, средний - 0,35-0,54, поздний -- 0,55-0,76; метагенез ранний - 0,77-0,90, поздний - более 0,90. Расчет коэффициента ведут по уравнению К3 = 2 Пк/]1 , где Пк - число контактов -зерен, Пр. - число пересечений периметров зерен. По нашим определениям рудовмещающие породы Джезказганского

месторождения характеризуются значениями К^ = 0,85-1,18, что соответствует стадии позднего метагенеза, а углевмещаыщие породы из шахт Карагандинского бассейна имеют Кд = 0,50-0,69.

Тектоническая природа формирования физико - механических свойств тзрриг.енных порол. Полученные нами региональные закономерности изменения углей и физико-механических свойств вмещающих пород Карагандинского каменноугольного бассейна и данные, известные из литературных источников по другим угольным бассейнам страны, носят общий характер (табл.2).

В формировании физико-механических свойств пород терри-генных толщ участвуют как региональные, так и локальные тектонические факторы. Вследствие этого зачастую слои пород одного и того же диалогического состава, залегающие в различных геолого-структурных частях месторождения, характеризуются изменчивостью свойств. Этим объясняются резкие изменения физико-механических свойств горных пород и метаморфизма углей в зоне глу-

Таблица 2

Изменение степени метаморфизма углей и физико-механических.

свойств вмещающих пород с глубиной погружения

Глубина погру- Марка жения углэй Н,км

Породы и их физические свойства

песчаники

П ,5

алевролиты

аргиллиты

*с,КПа

П,%

¿с,МПа

б,с,1/Ла

До 2 Б 15-30 10-35 15-30 5-25 ' 15-35 1-10

2-4 Д,Г 6-15 30-70 6-18 20-50 8-20 10-30

4-6 Ж, К 4-8 60-140 5-10 30-60 6-14 20-40

4-8 Т,ПА З-б 100-180 4-7 40-80 5-9 30-50

8-10 А 2-5 150-240 3-й 50-90 3-7 40-60

бинных разломов и на различных современных геолого-структурных участках, находившихся в доинверсионный период развития бассейна на одинаковом уровне. Например, вдоль южной границы Карагандинского каменноугольного бассейна в зоне влияния Жалаирского

глубинного разлома (надвига) степень метаморфизма углей соответствует маркам Т,ПА, тогда как эти же стратиграфические горизонты вне зоны влияния разлома включают пласты углей марок Ж,К.

Наиболее отчетливые изменения физико-механических свойств горных пород в зависимости от тектонических условий характерны для Джезказганского месторождения медистых песчаников, которое имеет аналогичное с основными каменноугольными бассейнами страны геологическое строение и возраст. На г.ес то рождении оруденение приурочено к толще пестроцветных терригенных пород общей мощног тью порядка 700м, перекрытых терригенно-карбонатными породами суммарной мощность» около 2000 м. Как вицчо, максимальная мощность толщи в пределах месторождения не превьшает 3000 м, что,_ соответствует глубине погружения пород, включающих угли марки Г. Однако свойства рудовмещающих пород Джезказгана резко от-, личаются от данных, приведенных в табл. 2. Пористость рудоносных песчаников не превышает 2-3%, а прочность их очень высокая и имеет значения = 150-250 МПа и более. Причем прочность песчаников современных антиклинальных структур гораздо выше, чем синклинальных. Все ото объясняется не столько глубиной погружения бассейна месторождения в доинверсионный период, а приуроченностью его к тектонически активной зоне - сочленению меридионального Восточно-Улытауского и субширотного Теректинского глубинных разломов, которые создавали особые термодинамические условия в рудоносной толще за счет высоких тектонических давлений и тем«-пературы теплового потока, поступавшего из недр по глубинным разломам и трещинам расколотых блоков фундамента.

Изменение физико-механических свойств горных пород в различных тектонических структурах носит дифференцированный характер и зависит от литологического состава, что требует оценки существенности их различия для практических целей.

При сравнении Ос песчаников, слагающих различные структуры, получено расчетное значение критерия Стыодента £ = 3,42, Для уровня значимости Р = 0,05 ^п0п.= 2,09> т,е' ^>^доп.' что свидетельствует о существенности различия между значениями прочности песчаников антиклинальных ( 6 ® ) и синклинальных (бсп )

гт

структур. Для остальных литологических типов пород рудоносной толщи Ъ <■ 'Ьдо^, что дает возможность использовать их средние значения прочности при прочих равных условиях по месторождению.

Изменчивость прочностных свойств рудоносных песчаников в зависимости от структурно-тектонических факторов Джезказганского месторождения описывается формулой:

¿с = 177,1+0,12-Н-0,1-Но+1,45-6 -1,1-Нстр, К = 0,92 (I)

где И - глубина залегания от дневной поверхности,м; Н0 - относительная глубина залегания, определяемая как разница между уровнями эталонной (основной) и рассматриваемой структур,м; Ъ -- вертикальная амплитуда структуры, имеющая для антиклиналей знак плюс, для синклиналей - минус; НСТр - стратиграфический уровень, численно соответствующий номеру рудоносного горизонта. Статистический анализ зависимости (I) показал, что она значима, расчетное значение критерия Фишера - 15,23 при табличном значении его ^"о 05 = ^,85 пля ^ = уровня значимости.

Связь между параметрами прочности пород рудоносной толщи при одноосном сжатии б'с и растяжении б' в зависимости от тектонических условий описывается уравнениями: для антиклинальных структур

0,052- ё * + 5,0; -6= 0,68±0,Ю, (2)

Р о

для синклинальных структур

6^ = 0,054- +7,6; 0,62±0,09, (3)

где х - коэффициент корреляции. Надежность полученных уравнений по критерию Ляпунова составляет 6,78 и 7,12 соответственно при допустимом значении 2,6.

Для оценки существенности различия расчетов по уравнениям (2) и (3) посредством критерия Стьюдента формула, используемая для сравнения средних значений одномерных выборок, преобразована нами для сравнения многомерных уравнений. Расчетное значение критерия Стьюдента превышает его допустимое значение, что не подтверждает гипотезу о равенстве вычислений по уравнениям (2) и (3), и б" пород синклинальных и антиклинальных структур месторождения необходимо определять в отдельности.

Породы антиклинальных структур, зарожденных под сильным давлением вздымающихся блоков фендамента, имеют более высокие значения прочности при одноосном сжатии, чем породы синклинальных структур, образованных на участках погружения блоков фунда-

мента. Наоборот в синклинальных структурах, зажатых между антиклиналями, более высокие значения приобретают боковые давления и в таких условиях формируются соответственно повышенные значения прочности пород при растяжении.

Математическая модель физико-механических свойств терригенных по р о д. Изучение формирования свойств терригенных пород в зависимости от условий подготовки, седиментации, особенностей постседиментационных преобразований осадочного материала и условий залегания позволило выявить количественные геологические признаки и трансформировать их с помощью ЭВМ в математические модели.

Петрографические признаки пород оценивались в прозрачных шлифах под микроскопом. Пластический материал основных групп терригенных пород имеет следующий состав: С^ - кварц (содержание от 5 до 20%), - плагиоклаз (5-25%), Сд - калищпат (5-20%), С^ - осадочные породы (8-25%), - магматические породы (1025%), С^ - метаморфические породы (5-20%), Су - сумма зерен полевых шпатов (15-40%), Сд - сумма обломков горных пород (3060%). Состав цемента пород преимущественно глинистый-^ , кар-бонатный-Ц^ и кремнистый - Цд. При изучении структуры пород определяли линейным способом (В.Н.Шванов,1987) содержание фракций, мм: Х: = 0,01-0,05, Х2 = 0,05-0,1, Х3 = 0,1-0,2, Х4 » 0,20,3, Х5 = 0,3-0,4, Хб = 0,4-0,5, X? = 0,5-1,0 и Х0 - общее ■ содержание. Для достоверной диагностики состава глинистого вещества горных пород использованы рентгеноструктурные, термические и химические анализы, кластического материала - минералогические исследования.

Обработка результатов исследований на ЭВМ с учетом совокупного влияния петрографических и геологических признаков позволила нам создать универсальные математические модели физико-механических свойств терригенных пород любой стадии постседи-ментационного преобразования. Так, многомерные математические модели предела прочности при одноосном сжатии по основным лито-логическим типам пород терригенной толщи выражаются следующими уравнениями:

для мелко-среднезернистых песчаников

6с = 166,46-0,376Х3+0,06Х4+0,123Х5+0,652Хб~ 0,42Х?+ +0,23С1+0,4507+0,52Сд-0, 1ЦГ0,16Ц2+0,26Д3+ +0,р17Н-2,99Нстр , (4)

для тонкозернистых песчаников ¿с = 65,75-0,06Х1^,156Х2+0,7Х3+0,240^0,2007+0,41Сд-

-0,027ц1-0,033ц2+0,69ц3+0,032н-2,24нс , (5)

для алевролитов ¿с = 47,74+0,1X^+0,286Х2+0,О12С1+0,047(^+0,067Сд-

-0,06Ц1+0,034Д2+0,32Ц3+0,05Н-1,28Нстр , (&)

для аргиллитов

¿0 = 35,4+0,29Х1+0,157Ц2+0,515Ц3+0,004Н-0,52Нстр . (7)

Коэффициенты множественной корреляции Я , представляющие собой меру совокупного влияния всех приведенных геолого-петрографических признаков, имеют значения от 0,92 до 0,99, т.е. связь их с прочностными свойствами пород приближается к функциональной. Статистический анализ полученных моделей (4)-(7) показал, что они значимы, расчетные значения Р - критерия соответственно равны 17,42; 13,29; 7,96 и 7,14 при табличном значении ^ о 05 = Аналогичные математические модели получены и для других изученных параметров физико-механических свойств горных пород.

Влияние региональных и локальных тектонических факторов на изменение состава, структуры и физико-механических свойств тер-ригенных пород учитывает параметр НСТр, показывающий их стратиграфический уровень залегания по степени преобразования Расчленение толщи пород глубинного метагенеза на стратиграфические уровни выполнено на примере детально изученного Джезказганского месторождения, рудоносная толща которого состоит из десяти рудоносных горизонтов с нумерацией снизу вверх, соответственно здесь НСТр = 1-10. Расчленение угленосных толщ на стратиграфические уровни проводится по содержанию соответствующих из 50 классов

углей, выделяемых по среднему показателю отражения витринита (ГОСТ 25543-88). Для угленосных толщ номера стратиграфических уравней возрастают от антрацитов к бурым углям, т.е. НСТр = = 11-60. В качестве альтернативного универсального признака, характеризующего численное значение параметра НСТр для лобой тер-ригенной толщи, можно использовать пористость горных пород.

Глубина залегания Н оказывает положительное влияние на прочность терригенных пород. Природа его заключается в уплотнении и уменьшении пористости пород с увеличением глубины залегания за счет воздействия гравитационного давления к, как следствие, сближенности кластического материала с образованием прочных типов контактов между зернами.

Наивысшей прочностью из всех диалогических типов терригенных пород обладают среднезернистые песчаники Джезказганского месторождения, которые находятся в стадии позднего метагенеза. При дальнейшем росте размеров зерен прочность песчаников снижается в связи с появлением в зернах и обломках микротрещин и других структурных дефектов. Тем не менее даже крупнозернистые песчаники и более грубообломочные породы Джезказганского месторождения по сравнения с терригенными породами аналогичного состава и возраста Карагандинского, Донецкого, Кузнецкого каменноугольных бассейнов и других аналогичных месторождений обладаю^ более высокими значениями прочности. Природа этого явления объясняется глубинными метагенетическими преобразованиями пород за счет тектонических напряжений и высокой температуры, вызвавших проявления перекристаллизации, микростилолизации на контактах зерен и вдоль трещин в них и малым содержанием цемента. Отдельные разности песчаников Джезказганского рудного района относятся к типу бесцементных пород с микростилолитовым сочленением зерен. •

Формирование - естественного поля напряжений в терригенных породах. Анализ инструментальных измерений (Ю.И.Чабдарова и др., 1980) в горных выработках показал, что индикатриса естественного поля напряжений в рудоносных песчаниках Джезказганского месторождения представляет собой трехосный эллипсоид, большая ось которого соответствует главным меридиональным горизонтальным напряжениям ( °х), превышающим гравитационные до 9-ти раз, средняя ось - широтным горизонтальным напряжениям ( £> у)

-до 3,6 раза, наименьшая ось - главным вертикальным напряжением ( ¿ъ ) - до 1.8 раза.

Естественное напряженное состояние рудоносных пород месторождения обусловливается тектонической историей формирования структурных форм рудного района, расположенного на участке сопряжения меридионального Восточно-Улытауского и субширотного Те-ректинского глубинных разломов и наличием на западе консолидированного 1£арсакпай-Улытауского антиклинория. Разнонаправленные вертикальные тектонические подвижки привели к образованию Кар-сакпай-Улытауского тектонического Еала и Джезказганского "ток-тонического трога", в котором происходило накопление рудоносной толщи месторождения. Расположенный с западной стороны вздымающийся тектонический вал оказывал субширотное давление на рудоносную толщу, подвергавшуюся, в свою очередь, воздействию гер-цинского тектогенеза за счет вертикальных подвккек блоков фундамента. Подвижки были вызваны оживлением субмеридионального Восточно-Улытауского разлома, что привело к образованию параллельных ему флексурных зон и ограниченных ими антиклинальных и синклинальных складок второго порядка в рудоносной толще месте -рождения.

Тектонический облик и условия для формирования естественного поля напряжений в рудоносных породах месторождения были заложены в периоды герцинского и киммерийского тектогенеза.

' Естественное поле напряжений в современной природно-дефор-мированной толще оформилось окончательно в результате новейших и современных тектонических процессов. Достаточно мощные фазы движений альпийского тектогенеза привели к образованию Кенгир-ской и Акчийской брахиантиоиналей с субширотной ориентировкой осевых плоскостей, продолжавших свое развитие при новейших и современных процессах, что генерирует меридиональное направление вектора боковых напряжений в рудоносной толще. Названные антиклинали служили также упорами при боковых движениях, возникшие напряжения концентрировались между ними в плотных и чрезвычайно прочных рудоносных породах. Напряжения,•не имея пути разрядки, аккумулировались в жестских породах в виде упругой по-тенциональной энергии меридиональных горизонтальных напряжений ( ^ х). Причем максимальная аккумуляция напряжений происходила на участках, где имеются благоприятные условия для этого,

т.е. упоры с двух противоположных сторон и менее трещиноватые хрупкие породы, как, например, на Акчий-Спасском участке.

Длительная денудация территории привела к релаксации избыточных начальных напряжений в верхних горизонтах месторождения на различных участках до глубин 100-250 м. На нижних горизонтах, особенно на глубинах более 350-400 м, избыточные естественные напряжения могут вызвать динамические геологические явления (стреляния, толчки, горные удары).

Для оценки естественных напряжений в горных породах и прогноза последствий при перераспределении их вокруг горных выработок необходимо охарактеризовать величину полного напряжения, которое по М.В.Гзовскому представляет собой сумму векторов главных нормальных напряжений.

Состояние терригенной толщи, оцениваемое через полное напряжение, является функцией физико^механических свойств, трещино-ватости и глубины залегания горных пород. Влияние физико-механических свойств горных пород на естественное поле напряжений выражается через предел прочности при растяжении ( 6 , Ша), учитывающий изменчивость прочностных свойств в различных структурных формах месторождения за счет воздействия боковых напряжений. Для оценки трещиноватости пород служит линейный коэффициент V»/ = 7ъ 1^-0,1 , где 71 - количество систем трещин;

ха-1 - сумма средних расстояний между трещинами этих систем, м. Глубина залегания (Н,м) в. каждой конкретной точке определяется из геологического разреза. Обработка на ЭВМ данных инструментальных измерений напряжений, лабораторных изучений физико-механических свойств рудоносных песчаников, анализа их условий залегания и натурных замеров трещин позволила нам получить математическое выражение полного напряжения в толще

¿п = 27/XV + 1,36 б'р + 0.16Н - 55,1 . (8)

Полученная зависимость (8) характеризуется высокими значениями коэффициента множественной корреляции Я = 0,88 и коэффициента Фишера Г = 9,24 при табличном значении ^о 05 = ^>47.

В зависимости (8) видно, что полное напряжение в толще растет с глубиной, в синклинальных структурах в связи с повышением предела прочности пород растяжению и снижается с увеличением интенсивности трещиноватости. Руководствуясь этими положе-

ниями, можно прогнозировать естественное напряженное состояние пород в различных геологических структурах. Так, в антиклинальных структурах месторождения в связи с сближением флексурных зон на больших глубинах степень трещиноватости горных пород растет, что мокет привести к снижению их напряженного состояния. В синклинальных структурах (например, Акчий-Спасская мульда) флексуры с глубиной расходятся, строение участков упрощается и напряжения в породах возрастают. Для прогноза геологических явлений в зонах опорного давления и разгрузки, возникающих вокруг горных выработок при перераспределении напряжений, предлагается нами использовать показатель уровня напряженного состояния горных пород, который определяется из выражения

% = ¿я / ¿с . (9)

Анализ данных документации состояния горных выработок действующих и строящихся шахт, расположенных на глубинах от 200 до 450 м, показывает, что устойчивость их конструктивных элементов достаточно объективно характеризуется показателем .

Закономерности формирования избыточных естественных напряжений в рудоносных породах Джезказганского месторождения и проявления их в горных выработках подтверждаются непосредственными' измерениями и натурными наблюдениями.

Анализ геологического строения угленосных свит Карагандинского бассейна и истории формирования его структурно-тектонических форм показывает, что условий для накопления избыточных тектонических напряжений в них не было. Основные внутренние структурные формы бассейна образовались в условиях тектонического опускания и не испытывали боковых давлений со стороны Тентекско-го и Майкудукского разломов. Значения естественных напряжений в углевмещающих породах очевидно находятся примерно на уровне Нормальных гравитационных. Избыточные.горизонтальные напряжения в угленосной толще возможны на участках вдоль южного борта бассейна, испытавшего давления со стороны Жалаирского надвига, и Алабасской антиклинали на глубинах, более 300-400 м. Ориентиров-' ку возможных избыточных горизонтальных напряжений определяют направления векторов тектонических сил: субмеридионально (перпендикулярно к Жалаирскому надвигу) и субширотно (перпендикуляр-

но к осевой плоскости Алабасской антиклинали).

Инженерно-геологическое районирование месторождений в терри-генных толщах. Каждое месторождение полезных ископаемых характеризуется определенной сложностью геологического строения и является физически неоднородной средой. Неоднородность геологической среды обусловлена сменой состава и свойств слагающих ее горных пород в разрезе и латерали, наличием различных форм тектонических нарушений и характером естественного поля напряжений. Это требуьт выделения к установления границ относительно однородных б допустимых пределах точности инженерно-геологических условий участков или районов, т.е. проведения инженерно-геологического районирования.

Разнообразие инженерно-геологических условий Карагандинского каменноугольного бассейна главным образом обусловлено геологическим строением угленосных свит, литологическими типами угле-вмещающих пород, их физико-механическими свойствами, состоянием и поведением в горных выработках и газоносностью угольных пластов. По геологическим условиям залегания и промышленным значениям в пределах территории распространения основных продуктивных свит бассейн разделяется на 3 горно-промышленных района и 18 -участков. Основным показателем сложности инженерно-геологических условий освоения горно-промышленных участков бассейна служат особенности геологического строения. Все выделенные участки по сложности геологического строения, оцениваемой количеством разрывных нерушений с амплитудой от 50 до 200 м и более на^единицу площади участка, разделяются на простые (менее 0,5 шт/км^), средней сложности (0,5-1,5 шт/км^) и сложные (более 1,5 шт/км ). По бассейну 25% балансовых запасов углей приурочены к участкам с простыми, 40% - средними и 35% - сложными условиями освоения.

Условия освоения б-ти горно-промышленных участков, выделяемых на территории Джезказганского месторождения медистых песчаников, определяются изменчивостью состава, мощности и свойств литологических типов пород рудоносных горизонтов, их глубины и структурно-тектонических условий залегания и уровня естественного напряженного состояния. На основе учета перечисленных показателей выделяются поля с простыми (до 40% территории месторождения), средней сложностью (20%), сложными (20%) и очень сложными (20%)

инженерно-геологическими условиями. Участки с простыми и средней сложностью условиями в настоящее время в большей части отработаны, т.е. ослаблены пустотами выработанных пространств.

Состояние огромных пустот (в настоящее время объем накопленных пустот в недрах превысил 150 млн.куб.ы) в подработанной толще застроенной территории Джезказганского месторождения определяется несущей способностью поддерживающих междукамерных целиков и устойчивостью пород кровли, оцениваемых количественными признаками существенных геологических и техногенных факторов. На основе совокупного учета количественных признаков составлены инженерно-геологические карты отработанных полей рудных залежей и путем совмещения их - карта месторождения, на которых выделены ослабленные и различной сложности участки с прогнозом развития опасных геологических явлений.

Районирование отработанных участков рудных полей Джезказганского месторождения (в недрах оставлены более 22% от погашенных запасов руды) для повторной разработки осуществлено на основе классификации их по сложности инженерно-геологических условий освоения (простые, средней сложности, сложные и очень сложные), что позволило наметить участки первоочередного повторного освоения открытым и подземным способами.

Для компьютерной реализации построения инженерно-геологических карт разработаны нами программы ASK 122 и ASKIZ6, которые функционируют в среде ДОС ЕС/КПТИ.

Прогнозирование устойчивости пород в горных выработках. При проходке горных выработок вследствие нарушения равновесия горных пород и перераспределения естественных напряжений возникают горное давление и разнообразные геологические явления, реализующиеся в их деформации, разрушении, перемещении и сдвижении.

В горных выработках шахт Карагандинского бассейна и окружающей их толще возникают и развиваются следующие геологические явления: выветривание горных пород, их разуплотнение, искусственное разрушение, расслаивание, зависание, обрушение, Бывалы и ку-поление, выдавливание и отжим, сдвижение и газодинамические явления. Все геологические явления имеют главным образом геологическую природу и обусловлены технологией проходки горных выработок.

За период эксплуатации Джезказганского месторождения отмечено более 2360 случаев обрушений пород кровли различного вида и масштаба. Все многообразие форм обрушений пород кровли очистных выработок по масштабам и условиям проявления подразделяются на вывалы, отслоения пород непосредственной кровли, куполение и сдвижение пород основной кровли и налегающей толщи. Все перечисленные геологические явления, возникающие в кровле очистных выработок, обусловлены инженерно-геологическими условиями выемочных полей и горно-техническими особенностями применяемой системы разработки.

Поддержание кровли открытого очистного пространства осуществляется оставлением столбчатых междукамерьых целиков, несущая способность которых определяется инженерно-геологическими условиями геологической среды. Разнообразие форм более 2500 случаев разрушения междукамерных целиков зависит от характера нарушенное™ рудных залежей трещинами, контактных условии с смещающими породами, наличия слабых прослоев в целике, а такие от характера его нагружения. Почва очистных выработок ведет себя устойчиво, так как она обычно сложена прочными горными породами и предотвращается ее сдвижение в выработанное пространство достаточно густой сетью поддерживающих целиков.

Состояние горных выработок определяется прежде вс'бго устойчивостью пород кровли. Прогноз устойчивости пород кровли очистных выработок базируется на разработанной нами классификации, основанном на совместном учете изменчивости инженерно-геологических условий месторождения и особенностей технологии горных работ.

Для рудных залежей Джезказганского месторождения (табл.3) критерием для выделения классов кровли по устойчивости принято время сохранения целостности обнаженной потолочины выработок, в течение которого можно выполнить в безопасных условиях определенный технологический процесс камерно-столбовой системы разработки: оформление потолочины одиночной камеры (1-2 мес), отработку запасов камер (до I года), полную отработку запасов панели (до 5 лет) и длительный срок службы панели (более 5 лет). Для автоматизированного распознавания класса и построения карты устойчивости пород кровли проектируемых к отработке рудных залежей на ЭВМ разработана программа ШР2 , функционирующая в операционной среде ДОС ЕС/КПТИ.

2В

1 а блица 3

Классификация устойчивости пород кровли рудных залежей Джезказганского месторождения

Классы Литологические типы кровли пород

Мощность, м Расслоение, м Прочность, МПа ¿с ¿р

Любая 0,050,2 3060 2-7

' До 1,0 К 60130 6-12

100-■ 150 9-13

Любая В зоне флексуры,

- Более 2,0 0,20,5 • 80100 7-10

■ 1,0-• 2,0 0,20,4 100150 9-13

До 1,0 0,1-•0,4 100170 10-15

Более 3 0,51,0 120160 10-14

1,03,0 0,30,7 140180 12-16

Более 3 1,03,0 160250 14-20

Трещи-

нова-

тость,

Ктм

Формы геологических явлений

Бремя сохранения обнажения

го сс

I. Неустойчивая

Красные аргиллиты и алев ролиты

Серовато-красные мелкозернистые песчаники

Серые мелкозернистые песчаники

Все породы

Красные тонкозернистые пес чаники и алевролиты

Красновато-серые мелкозернистые песчаники,конгломераты

Серые мелкозернистые песчаники

Красновато-серые,бурые мелкозернистые песчаники, конгломераты

Серые мелко-и среднезер-нистые песчаники

4.Весь- Серые мелко- и среднезер-ма ус- нистые песчаники рудные и тойчипая безрудные

2.Сред-неус-тоичи-вая-

3. Устойчивая

Менее Вывалы, От 1-2 0,20 отслоение, суток до куполение I месяца

тектонических трещин и дробления

0,21- Отслоение, От 1-2 0,30 вывалы, месяцев

куполение до I года

0,310,40

Более 0,4

Отслоение До 5 лет

Нет

От 5 до 25 лет

Углевмещающие породы Карагандинского бассейна по устойчивости в комплексно-механизированных лавах разделяются на пять классов: I) неустойчивые породы, допускающие площадь обнажения Б менее 3 м^ и время сохранения целостности обнажения до 0,5 ч; 2) малоустойчивые - Б = 3-10 м^ и Ь дс 2 ч; 3) среднеустой-чивые - Б = I -50 м^ и Ь до I сут; 4) устойчивые Б = 50300 м2 и Ь до 10 сут; 5) труднообрушаемые - Б = 300-15000 м2 и Ь от 10 сут до I мес и более. Для каждого класса устойчивости пород рекомендуются соответствующие способы управления кровлей и типы механизированной крепи в лавах.

Учет изменчивости инженерно-геологических условий месторождения при расчете поцдерживающих целиков. Расчет оптимального диаметра междукамерных целиков, обеспечивающих безопасность в рабочем пространстве выработок и минимальные потери руд в недрах, должен базироваться на исходных данных, учитывающих изменчивость инженерно-геологических условий месторождения. В общем случае для пологопадающих рудных залежей Джезказганского месторождения при применяемых вариантах камерно-столбовой системы с расположением целиков в очистных панелях по сетке 20x20 м формула расчета междукамерных целиков, предложенная ИГД АН КазССР, имеет вид

с1= (35,3 • -./г • Н/К,, • Ктр)1/3, (10)

где с1 - диаметр столбчатого целика,м; - коэффициент нагрузки, показывающий, какая часть налегающей толщи давит на целик и определяется для серых песчаников = 0,85-0,001Н, для красных алевролитов =0,93-0,00053Н; к - рабочая мощность разрабатываемой залежи (высота целика), м; Н - глубина залегания залежи, м; - коэффициент, характеризующий влияние контактных условий на прочность целика, при опирании целиков на серые песчаники ^=1, на красные алевролиты Кд = 0,7; - предел прочности рудных песчаников при одноосном сжатии, МПа; Ктр - коэффициент трещиноватости, показывающий структурную нарушенность рудоносных пород (целика). /

Параметры б'с и Ктр являются переменными, зависящими от состава и условий залегания горных пород. Зависимость 6 с

рудных песчаников от особенностей структурно-тектонических форм месторождения выражается формулой (I). Прочность медистых песчаников в естественном залегании на основании существующих теоретических предпосылок о масштабном эффекте и анализа полученных нами экспериментальных данных с использованием распределения Вейбулла оценивается по формуле

¿м = V^c . <">

где - коэффициент масштабного эффекта, равный 0,527. Расчетное значение f - критерия равно 13,03 при табличном значении q Q^ = 1,37, что подтверждает практическую значимость формулы

(II).

Однако в формуле (И) не учитывается влияние тектонической трещиноватостй на прочность пород. В результате обработки результатов натурных исследований получена формула расчета величины коэффициента трещиноватости структурного ослабления пород, расчлененных крутосекущими сквозными трещинами на всю рабочую мощность рудной залежи и послойными или пологосекущими трещинами с зеркалами скольжения, которая выражается

Ктм = ^ - 0,32/Ci = ^ - 0,32- W , (12)

где. О- - среднее расстояние между сквозными трещинами,м; W -- интенсивность трещиноватости в рудном теле,м-'''. Пользуясь формулой (12), получена нами математическая модель прочности трещиноватых горных пород

= (0,527 - 0,32¡CL с = (0,527-0,32 W)-^c (13)

На участках, где крупные сквозные трещины отсутствуют или расстояния между ними превышают размеры целиков, т.е. W менее 0,1 (расстояния между трещинами более 10 м), коэффициент трещиноватости сводится к коэффициенту масштабного эффекта, учитывающего влияние только микроструктуры горных пород (внутренние структурные дефекты, скрытая и мелкая прерывистая трещиноватость), которая является фоновой для рудоносных пород месторождения. А участки с W более 1,0 соответствуют зонам тектонических нарушений

(флексуры и зоны дробления), гае породы в открытых очистных выработках переходят в состояние предельного равновесия.

Для автоматизации расчета целиков на ЭВМ с использованием формул (I), СII)—С 13) в проектируемых выемочных полях нами разработана программа ММРН, функционирующая в среде ДОС ЕС/КПТИ.

Вопросы рационального использования и охраны геологической среды. В пределах горных отводов рудных и угольных месторождений региона в результате подработки терригенных толщ происходит изменение состояния геологической среды, что требует разработки комплекса мероприятий по ее рациональному использованию и охране. В зоне влияния горных выработок выделяются две подзоны изменения геологической среды, отличающиеся формами и масштабами развития геологических явлений. В первой подзоне геологические Явления возникают и развиваются вокруг горных выработок (в кровле, почве, стенках и поддерживающих целиках) и охватывают обычно небольшие глубины от 0,5-1,0 до 10-20 м. Во второй подзоне' геологические явления распространяются далеко в подработанные толщи и нередко достигают поверхности земли. В связи с этим во второй подзоне геологической среды геологические явления характеризуются огромными масштабами.

Закономерности возникновения и развития геологических явлений з геологической среде месторождений полезных ископаемых связаны с особенностями их инженерно-геологических условий и применяемых систем разработки.

Огромные по масштабам и опасные по последствиям геологические явления развиваются в подработанной толще угольных и рудных шахт, на территории которых размещены промышленные и гражданские сооружения, сеть инженерных коммуникаций, опоры линии электропередач и дороги различного назначения. Образование мульд сдвижения, разрывов и провалов на поверхности земли подработанной толщи нарушают сохранность территории и размещенных на ней зданий и сооружений. В результате оседания поверхности Земли на подработанных территориях происходит заболачивание и затопление больших площадей. Кроме того на территориях шахт возводятся огромные отвалы, которые занимают большие площади, они размываясь и развеиваясь загрязняют водную и воздушную среды.

Целенаправленное выполнение комплекса разработанных нами мероприятий по управлению геологическими явлениями, горным давлением и нарушениями поверхности Земли на основе оценки инженерно-геологических условий геологической среды позволяет в значительной степени преодолевать отрицательные техногенные воздействия на нее и улучшить природные условия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработаны теоретические и методические положения закономерностей формирования инженерно-геологических условий рационального освоения месторождений полезных ископаемых в терригенных толщах для оценки и прогноза возникновения и развития неблагоприятных геологических явлений в горных выработках рудных и угольных шахт, имеющие важное народнохозяйственное значение.

Основные научные результаты исследований, выводы и практические рекомендации сводятся к следующим:

1. Установлены закономерности формирования геологического строения и инженерно-геологических условий рудных и угольных месторождений в терригенных толщах Центрального Казахстана. Литологический состав и ритмичное строение рудоносной и угленосной терригенных толщ обусловлены поступлением в седиментационный бассейн обломочного и дисперсного материала из близлежащих сложных питающих провинций и накоплением его в прибрежно-морских и континентальных фациальных обстановках в условиях пульсирующего тектонического режима. Различной интенсивности вертикальные подвижки блоков фундамента и тангенциальные давления глубинных и крупных разломов месторождений определили различную степень пост-седиментационных преобразований горных пород, формирование их изменчивых свойств, состояния и условий залегания.

2. Современные вещественный состав, структурно-текстурные особенности, физико-механические свойства и условия залегания терригенных пород формируются в сложном историческом ходе развития каждого месторождения, ретроспективный анализ которого позволил расчленить толщу на литогенетические типы и их ассоциации, обладающие присущими им свойствами и состоянием и различающиеся своим поведением в горных выработках.

3. Выявлены закономерности формирования избыточных естественных напряжений в терригенных породах на основе анализа особенностей их литогенеза и современных структурно-тектонических форм месторождений, которые позволяют прогнозировать ориентировку и величину главных компонентов поля напряжений и их влияние на устойчивость горных выработок.

4. Предложены методы опенки и прогноза инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых в терригенных толщах по данным геолого-разведочных работ, создана многомерная математическая модель физико-механических свойств песчано-глинистых образований от стадии раннего катагенеза до позднего метагенеза.

5. Проведено с применением ЭВМ инженерно-геологическое районирование месторождений полезных ископаемых, подработанной толщи застроенных территорий и повторной разработки погашенных шахтных полей на примере Джезказганского месторождения, в недрах которого накоплено более 150 млн.куб.м пустот выработанного пространства и оставлены значительные запасы руд.

6. Созданы научные основы оценки и прогноза возникновения

и развития негативных геологических явлений в горных выработках, которые формируются под совокупным воздействием геологических и техногенных факторов, классификации пород по устойчивости в горных выработках и учета изменчивости инженерно-геологических условий шахтных полей при расчете конструктивных элементов выработок применяемых систем разработки с использованием ЭВМ.

7. Разработан комплекс мероприятий по управлению геологическими явлениями, горным давлением и нарушениями застроенных территорий подработанных толщ, который обеспечивает рациональное использование геологической среды, позволяет предотвратить отрицательные техногенные воздействия на нее и охрану природы.

Основные научные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в следующих работах:

1. Ориентировка трещин в угольных пластах и вмещающих породах Тентекского района // Технология разработки месторождений полезных ископаемых. Вып. 4. - Караганда, 1976. - С.79-82.

2. Построение карты прочности углевмещающих пород по данным разведочного бурения' // Изв.вузов. Горный журнал. - 1980. if 7. - С. 29-32.

3. О возможности корректировки гипсометрических планов по данным съемки трещиноватости // Проблемы повышения эффективности и безопасности разработки полезных ископаемых. - Караганда, Кар-ПТИ, 1980. - С. 131-133.

4. О влиянии типов пород угленосной толщи Карагандинского бассейна на кавернозность скважин // Изв. АН КазССР, сер. геол.-1983, К I. - С. 72-75 (Соавтор: М.А.Ермеков).

5. Инженерно-геологические методы оптимизации потерь руд при подземной разработке Джезказганского месторождения // Научно-технические проблемы комплексного использования .полезных ископаемых. Часть П. - Алма-Ата, 1984. - С. 33-36 (Соавтор: Р.А.Дегтярев) .

6. Влияние геологических факторов на условия разработки Джезказганского месторождения // Сдвижение горных пород и земной поверхности при разработке месторождений полезных ископаемых. -Караганда, КарПТИ, 1984. - С. 103-108.

7. Классификация устойчивости кровли и составление прогно-ных карт // Уголь. - 1985, № 2. - С. 4-6.

8. Особенности инженерно-геологического районирования месторождения Джезказган // Инк. геология. - 1985, № 5. - С.73-78 (Соавторы: Р.А.Дегтярев, Ю.И.Чабцарова).

9. Инженерно-геологическое районирование в целях прогнозирования сдвижения горных пород на месторождении Джезказган // Сдвижение горных пород и охрана сооружений при разработке месторождений полезных ископаемых. - Караганда, КарПТИ, 1986. - С. 9388 (Соавторы: Р.А.Дегтярев, Е.В.Королева, М.Б.Кусбекова).

10. Горно-геологическая классификация пород кровли рудных залежей Джезказганского месторождения // Горный журнал. - 1986, № II, - С. 8-10.

11. Закономерности изменения физико-механических свойств рудовмещающих пород // Изв.вузов. Горный журнал. - 198/, № 9. -С. 4-7.

12. Геолого-петрографическая оценка прочностных свойств медистых песчаников // Изв.вузов. Горный журнал. - 1988, № 3.-. С. 6-8.

^.Прогнозирование устойчивости кровли очистных выработок по разведочным данным // Изв.вузов. Горный журнал. - 1989, )Ь 2.-С. 16-21. .

14. Об оценке физико-механических свойств горных пород по данным литолого-петрографического исследования // Изв.вузов. Геология и разведка. - 1989, Р 5. - С. 59-66.

15. Проблемы комплексного освоения недр Джезказганского медно-полиметаллического месторождения // Проблемы комплексного освоения недр (сб.тезисов). - Караганда, 1989. - С. 17-18.

16. Опыт оценки физико-механических свойств горных пород

по геолого-петрографическим данным // Проблемы комплексного изучения водозащитной толщи на месторождениях калийных солей (сб. тезисов). - Пермь, 1989. - С. 37-38.

17. Лабораторный практикум.по гидрогеологии и инженерной геологии: Учебное пособие. - Караганда, КарПТИ, 1989. - 75 с.

18. Проблемы комплексного освоения недр Джезказганского медно-полиметаллического месторождения // Проблемы комплексного освоения недр: Тез. докл. Региональной научно-техн. конференции, Караганда, 1989. - С. 17-18.

19. Связь изменчивости прочностных свойств руцовмещшсщих пород с строением месторождения // Изв.вузов. Геология и разведка. - 1990, № I. - С. 84-89.

20. Тектоническая природа анизотропии физико-механических свойств горных пород // Изв.вузов. Горный журнал. - 1990, Р 6. -С. 1-5.

21. Расчет междукамерных целиков при изменчивых инженерно-геологических условиях месторождения // Изв.вузов. Горный журнал. - 1990, А" 8. - С. 13-15.

22. Геологическая природа корреляции между физико-механическими свойствами горных пород // Изв. вузов. Геология и разведка. - 1990, № 7. - С. 87-92.

23. Моделирование прочности горных пород на ЭВМ // Изв.вузов. 'Горный журнал. - 1990, № 10. - С. 9-12.

24. Корреляционные зависимости между физико-механическими свойствами рудовмещающих пород Джезказганского месторождения // Вопросы проведения и охраны горных выработок. - Караганда, Кар' П'Ш, 1990. - С. 21-24.

25. Вероятностно-статистический метод оценки прочности массивов горных пород / Там же. - С. 24-27.

26. Оценка надежности математических моделей, выполненных нетрадиционными методами на ЭВМ для многомерных зависимостей'//