О прогнозировании мелкоамплитудных разрывных нарушений

Стягун А.В. кандидат техн. наук

В условиях Донбасса детальной разведкой шахтных полей устанавливаются нарушения с амплитудой свыше 10—15 м. Невыявленные геологические нарушения могут оказать влияние не только на технико-экономические показатели добычных участков, но и на работу шахты в целом. Так, из-за высокой степени нарушенности сокращены сроки службы шахт «Ветка-Глубокая», «Мушкетовская-Заперевальная» и др. В связи с этим вопросы изучения и прогнозирования мелкоамплитудной тектоники приобретают особую актуальность.

К настоящему времени накопился довольно большой опыт прогнозирования разрывных нарушений на всех стадиях освоения месторождения. При этом в практике разведочных работ известны графические, геофизические и геологические методы выявления мелкоамплитудных тектонических нарушений.

В горной геометрии известны приемы, позволяющие с наибольшей полнотой выявить и графически воспроизвести пространственные и структурные особенности залегания угольных пластов. Эта работа выполняется путем построения изолиний, разрезов, профилей и уклонов пласта. Прогнозирование условий залегания по графикам изолиний различных показателей, характеризующих элементы залегания, закономерности изменения параметров дизъюнктивных нарушений основано на распространении выявленных ранее особенностей пласта на разведываемые участки, однако мелкоамплитудные нарушения при этом выявляются недостаточно точно.

При построении геологических разрезов по данным разведочных выработок достоверно могут быть выявлены нарушения с амплитудой более 10—15 м. Способ плоских вертикальных сечений [3] позволяет на стадии геологической разведки выявить зоны мелких тектонических нарушений на участках пласта, перебуренных большим числом скважин.

В настоящее время для выявления мелкоамплитудных тектонических нарушений разрабатываются различные варианты геофизических методов. Пока они находят довольно ограниченное применение.

В процессе эксплуатации на наличие разрывных геологических нарушений указывает целый ряд признаков (смещение кровли или почвы угольного пласта, появление в угле клина породы при увеличении общей мощности пласта резкое уменьшение мощности пласта иногда до полного выклинивания, внезапная замена угля породой, резкое изменение элементов залегания угольного пласта и др.). Однако по этим признакам далеко не всегда удается определить тип нарушения, его амплитуду, направление смещения крыльев пласта.

В. А. Букринским был разработан метод прогнозирования разрывных тектонических нарушений, который основан на единстве образования и соответствии ориентировки и проявления экзогенной трещиноватости горных пород процессу образования и ориентировки осей деформаций тектонических структур (складок, разрывов) в результате действия тектонических полей напряжений [2].

В. А. Букринским и А. В. Михайловой [2] на основании наблюдений за трещиноватостью в Кадиевском районе Донбасса установлено, что характерная для данного района картина трещиноватости искажается по мере приближения к разрывному нарушению. В первую очередь искажения касаются тех систем трещин, которые имеют одинаковые с нарушением или близкие к нему элементы залегания. Обработка натурных наблюдений на структурных диаграммах показала, что при наличии нарушений происходят следующие отклонения максимума системы трещин от его теоретического положения:

1) отсутствие максимума, т. е. трещин данной системы, в результате полного ее замещения нарушением;

2) смещение максимума от его теоретического положения в результате частичного замещения трещин данной системы нарушением;

3) образование разрыва в максимуме в результате частичного" замещения трещин системы разрывным нарушением.

Однако существующая методика прогнозирования не всегда подходит к районам с другой структурой. В связи с этим задачей исследований автора являются проверка и уточнение методики прогнозирования нарушений на основе изучения трещиноватости для условий Донецко-Макеевского района Донбасса.

Большинство наблюдений было проведено на шахте «Куйбышевская» ПО «Донецкуголь». Поле шахты «Куйбышевская» приурочено к южному крылу Кальмиуе-Торецкой котловины. Простирание отложений карбона в основном юго-западное, падение на северо-запад. Углы падения пород на большей части площади шахтного поля колеблются в пределах от 8 до 16°. Залегание каменноугольных пород осложнено наличием ряда разрывных нарушений типа надвигов и сбросов. К наиболее крупным из них относятся надвиги Коксовый, Мушкетовский и др.

Коксовый надвиг, являясь естественной границей шахтного поля, на северо-востоке имеет северо-западное простирание, в юго-восточной части — субширотное. Падение плоскости сместителя — на северо-восток и север под углами от 10 до 45°. Амплитуда надвига меняется от 30 до 50 м.

Мушкетовский надвиг прослеживается в центральной части поля.

Простирание надвига — субширотное. Падение плоскости сместителя — на север под углом 20—30°. Амплитуда надвига на большей части шахтного поля составляет 65—125 м. Кроме крупных нарушений, на поле шахты имеется значительное число мелкоамплитудных нарушений, которые проявляются в виде нарушений надвигового и сбросового характера вблизи более или менее крупных нарушений, либо без всякой закономерности.

Для определения возможности прогнозирования мелкоамплитудных разрывных нарушений производилось сравнение данных по трещиноватости в точках наблюдений, расположенных в ненарушенных участках и в зоне влияния разрывных нарушений на различном расстоянии от нарушения. Наблюдения проводились через каждые 10—15 м подвигания очистных забоев.

Наблюдения за трещиноватостью, как правило, производились в подготовительных и очистных выработках. Причем подавляющее большинство наблюдений проведено в очистных забоях, поскольку там площадь обнажения гораздо больше, чем в подготовительных выработках, а интенсивность трещиноватости угля выше, чем вмещающих пород.

Наблюдения за трещиноватостью производились по следующей методике [1]. Через 10—15 м по линии падения лавы намечались места замеров, в которых выбиралась площадка длиной по падению, равной примерно мощности пласта. Выявив системы трещин, приступали к определению элементов залегания экзогенных трещин одного порядка, одновременно определяя интенсивность трещиноватости, т. е. количество трещин, приходящихся на единицу длины. При производстве замеров экзогенных трещин описывался характер поверхности трещин, наличие минеральных включений в полости трещин, литологический состав горных пород. При наличии зеркал или борозд скольжения определялись их элементы залегания. В забоях подготовительных выработок определялись элементы залегания экзогенных трещин вмещающих пород.

Средние элементы залегания эндогенных трещин определялись в подготовительных выработках и в двух-трех местах замеров очистного забоя. Здесь же измеряли угол и азимут падения плоскости пласта. Обработка результатов наблюдений производилась с помощью меридиональных стереографических сеток. Диаграммы строились по каждой точке наблюдений (лаве), включая данные замеров по откаточному и вентиляционному штрекам.

В результате статистической обработки получали изолинии относительной плотности или густоты трещин. Кроме этого, на диаграмму наносились элементы залегания нарушений с амплитудой более 0,5 м и элементы залегания пласта.

Установлена следующая закономерность трещинной тектоники на участке шахтного поля. Эндогенная трещиноватость в основном представлена двумя системами трещин — основной и торцевой. Эти системы легко выделяются на структурных диаграммах, поскольку элементы их залегания отличаются постоянством (более выражена торцевая система трещин). Элементы залегания этих систем отклоняются от среднего значения до ± 10°. Эндогенные трещины характеризуются гладкими поверхностями, почти всегда покрытыми пленками кальцита. Расстояние между ними колеблется от 3—5 мм до 1 дм и более.

Эндогенные или кососекущие трещины представлены трещинами скола. Они характеризуются поверхностями, несущими на себе следы перемещений — штрихи и борозды смещения, зеркала скольжения, царапины, которые указывают на направление перемещения. В ряде случаев направление экзогенных трещин совпадает с эндогенным.

Анализ проведенных наблюдений позволил сделать вывод а возможности прогнозирования мелкоамплитудных разрывных нарушений по изменению количества систем трещин. При подходе к нарушению количество систем трещин в угольном пласте по сравнению с ненарушенным участком увеличивается в два раза и более. При этом возможны варианты, отмеченные В. А. Букринским и А. В. Михайловой [2]. Связи между степенью увеличения систем трещин и амплитудой смещения не обнаружено. Зона влияния нарушения зависит от амплитуды смещения. Так, разрывы с амплитудой от 0,3 до 1,2 м выявляются на расстоянии от 5 до 40 м.

Элементы залегания пласта в непосредственной близости у нарушения, как правило, изменяются. В большинстве случаев лежачее крыло пласта подвернуто в сторону восстания плоскости сместителя. Часто появляются мелкие флексурные складки либо разрывы с элементами залегания, совпадающими с элементами залегания нарушения. В ряде случаев резко изменяется угол падения пласта или мощность пласта и т. д. Наличие этих признаков говорит о необходимости вести непрерывные наблюдения при подходе к нарушениям с целью своевременного их выявления.

При проведении прогноза необходимо получить ориентировку и тип смещения. Элементы залегания плоскости сместителя приближенно определяются по структурным диаграммам. Тип смещения можно получить, восстанавливая тектонические поля напряжений. Восстановление ориентировки осей тектонических напряжений, произведенное по методике, разработанной М. В. Гзовским [4], позволяет не только уточнить ориентировку нарушения и установить тип разрыва, но и выяснить механизм формирования тектонических структур, этапов тектонических деформаций, что является важным при изучении закономерностей тектоники шахтного поля.

Список литературы

1. Аммосов И. И., Еремин И. В. Трещиноватость углей. М., Изд-во АН СССР, 1960. 110с.

2. Букринский В. А., Михайлова А. В. Изучение связи трещи новатости стек-тоническими структурами горных пород. М., Изд. Московского ин-та радиоэлектроники и горной электромеханики, 1963. 96 с.

3. Выявление вероятных тектонических нарушений угольных пластов способом плоских вертикальных сечений / А. И. Осецкий, Г. А. Антипенко, А. Н. Зорин и др.— Экспресс-информация, ЦНИЭИУголь, М., 1974. 29с.

4. Гзовский М. В. Основы тектонофизики. М., Наука, 1975. 536 с.