Горно – геологические и горнотехнические условия ведения подземных работ
Вверх на один уровеньПроисхождение 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:
- 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.
- Магматические, которые образовались в результате застывания на поверхности Земли или в недрах земной коры магмы. Гранит, сиенит, диабаз, базальт и др.
- Метаморфические, образовались из осадочных и магматических в результате изменения (метаморфизма) под влиянием высокой температуры и давления. Кварциты, мрамор.
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:- Происшедшие во время образования пласта;
- Происшедшие в пласте после его образования
К нарушениям первого рода относятся:
- Выклинивание пласта - постепенное уменьшение мощности, иногда до полного исчезновения;
- Вздутие пласта - резкое увеличение его мощности на определенном участке
- 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- Основная кровля
- Непосредственная кровля
- Пласт угля
- Призабойное пространство
- Обрушенная непосредственная кровля
- 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.