Контрольная работа по "Геологии"

 

Сдвижение горных пород.

Процесс перемещения  и деформирования горных пород в  результате нарушения их равновесия под влиянием горных разработок, изменения физико-механических свойств пород и ряда других причин называют сдвижением.

Сложный и многостадийный процесс деформирования подработанной толщи пород и образования мульды сдвижения связан с прогибом подработанных слоев, сдвиговыми деформациями или совместным влиянием этих видов деформаций.

Характер процесса сдвижения  зависит от слоистости и прочности  пород, размеров выработанного пространства и глубины залегания отрабатываемой залежи. Перемещающаяся в сторону выработанного пространства часть массива пород образует область сдвижения, в пределах которой выделяют три зоны: обрушения; трещин, т.е. сдвижений с разрывом сплошности пород; плавных сдвижений (рис. 1.).

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. – Зоны сдвижения  горных пород.

1, 2 и 3 — границы зон  соответственно обрушения, трещин, т.е. сдвижение с разрывом горных  пород, и плавных сдвижений; 4 – области опорного давления; 5 – залежь полезного ископаемого; 6 - отработанная часть залежи; 7 – положение земной поверхности до отработки залежи.

Зона обрушения характеризуется хаотически раздробленными на отдельные куски горными породами, сцепление между которыми отсутствует. Она формируется в случаях, когда залежь отрабатывается системами с естественным или принудительным обрушением налегающих пород. Зона обрушений не по всех случаях может распространяться до земной поверхности.

В зоне плавных сдвижений перемещения и деформации пород происходят без разрыва сплошности. Размеры зоны и значения деформаций определяются механическими характеристиками слагающих ее пород. В песчано-глинистых породах зона плавных смещений имеет максимальные размеры при незначительной (или отсутствующей) зоне трещин. Деформации пород, связанные с пликативным прогибом их слоев, весьма значительны. В твердых горных породах зона плавных смещений и деформации пород в ее пределах незначительны: деформации в этой зоне иногда трудно определить обычными методами.

Пучение горных пород.

Явление деформаций пород  почвы и стенок подземных горных выработок, протекающее в форме  выдавливания, выпирания пород в  сторону обнажения, называют пучением. Наиболее часто с этим явлением сталкиваются при разработке угольных, рудных месторождений.

Увеличение объема работ по восстановлению выработок наносит огромный ущерб народному хозяйству. С увеличением глубины заложения выработок пучению подвергаются породы значительной прочности (глинистые и песчанистые сланцы, плотные и прочные аргиллиты и алевролиты, иногда песчаники). Так, при глубине свыше 700 м большинство глинистых и пес-чано-глинистых сланцев выдавливается в выработки даже тогда, когда они заложены в нетронутом массиве. Процесс пучения глинистых пород развивается под действием сил горного давления, набухания породы, фильтрационного давления подземных вод, явления гидратации и окисления. Первопричиной пучения является нарушение естественного напряженного состояния массива после проведения выработки. При наличии благоприятных условий (обводненности или влажного воздуха) глинистые породы набухают, увеличивая свою пластичность. Набухание глин возрастает при увеличении содержания в породе коллоидных и глинистых частиц, глинистых минералов с подвижной кристаллической решеткой, замещении в диффузном слое двух- и трехвалентных катионов одновалентными, а также нарушении их естественной структуры. Изменение естественного состояния пород приводит к повышению интенсивности и величины дав линия набухания во   времени.

При градиентах фильтрации, близких или превышающих критические значения, наблюдается вначале гидродинамическое взвешивание, а затем выпучивание породы, нередко завершающееся прорывом воды в горную выработку. Деформации в этом случае носят характер выпора. В некоторых случаях наблюдается непосредственная связь между градиентами фильтрации и величиной давления пучащих пород на крепь. Такого рода явления свидетельствуют об особом типе пучения породы — пучение под действием фильтрационного давления. Основными средствами  борьбы   с  ними   являются   снятие   гидростатических напоров водоносных горизонтов и максимально возможное снижение  величины горного давления.

В некоторых случаях отмечается своеобразное набухание пород вследствие приращения объема некоторых минералов  в результате их гидратации, окисления  и некоторых других процессов выветривания. Надо полагать, что средства, используемые для борьбы с явлениями выветривания, могут оказаться полезными и для борьбы с явлениями пучения такой природы.

Предварительное осушение обводненных  месторождений является наиболее универсальным и эффективным способом борьбы с пучением глинистых пород. С его помощью достигается снижение как горного, так и фильтрационного давления, во многих случаях играющих основную роль в деформациях пучения пород.

На процессы пучения кроме  чисто горнотехнологических факторов оказывают влияние сложение породы, прочность и жесткость вмещающих пород и условия и форма залегания пучащейся породы. Слоистое сложение, наличие обводненных прослоек и линз, увеличение мощности породы способствует пучению. Жесткие породы, перекрывающие и подстилающие пучащуюся породу, играют роль своеобразных тисков и также способствуют пучению. Влияние формы и тектонических условий залегания, по-видимому, сказывается через перераспределение напряжений в окрестностях горных выработок. Например, в условиях синклинального залегания давление пучения заметно возрастает; наоборот, в осевых частях антиклинальных складок оно уменьшается. Повышается склонность к пучению пород и в зонах тектонических нарушений, как известно, всегда характеризующихся  повышенным  горным давлением.

Отжим горных пород и горные удары.

Если в кровле пласта развиты  породы, допускающие прогиб без видимого нарушения сплошности, или породы опускаются крупными блоками, то происходит явление отжима пород угля. Отжим начинается со слабых прослойков угля или породы. Прочные породные прослои и включения, например в угольном пласте, резко снижают отжимаемость. Снижают отжимаемость и слабые породы кровли. Очевидно, что отжимаемости будут способствовать  все   факторы,   повышающие   горное   давление   на   забой.

Отжим наблюдается при разработке, как каменных углей, так и антрацитов. Трещины кливажа, образующие плоскости наименьшего сопротивления, способствуют отжиму, особенно в том случае, когда забой расположен по кливажу. Трещины в породах кровли, ориентированные по направлению забоя лавы, уменьшают отжим угля или полностью его исключают. Отжим угля происходит при отсутствии спайности угля с боковыми породами. Гладкие зеркальные поверхности и прослойки глины способствуют отжиму, а «поддувающие» породы почвы препятствуют ему. Минимальная глубина разработок, при которой в Донбассе наблюдается отжим углы, 70 м. Обводнение месторождения ухудшает явления отжима. Из горно-геологических факторов наибольшее влияние па отжим угля оказывают: система разработки и длина лав, взаимное расположение пав и скорость их продвигания, способ управления кровлей. Использование влияния этих факторов на многих шахтах значительно повысило производительность труда при зарубке угля.

Горные удары и внезапные  выбросы угля и газа представляют наиболее грозную опасность при горных работах. Разрушение горных пород и угля носит характер внезапного взрыва, сопровождающегося сильным гулом, сотрясениями и воздушным ударом. В результате крепь выработок повреждается или полностью разрушается, выработки заваливаются выброшенной породой и углем, а породы кровли, ослабленные ударом, теряют свою устойчивость и часто обрушаются, заваливая выработку. Горному удару обычно предшествуют усиление горного давления на целики и крепь выработок, выпучивание почвы, выдавливание целиков и некоторые другие проявления горного давления.

Горные удары возникают  при высокой прочности и жесткости  вмещающих пород и способности их накапливать энергию упругой деформации. Они наблюдаются па участках максимальных концентраций напряжений и в момент мгновенного перераспределения последних при нарушении сплошности высокопрочных пород кровли, обычно в наиболее расслабленных зонах. Интенсивная дислоцированность пород всегда благоприятствует данным явлениям. Внезапные удары большой силы наблюдаются в калийных рудниках и при извлечении оставленных целиков в угольных шахтах.

Внезапные выбросы угля и  газа (метана, углекислого) приурочиваются к призабойпым частям угольного пласта. В большинстве случаев они начинаются с глубины 250 м, однако отмечены случаи выбросов и на меньших глубинах.

Геологические нарушения  — вздутия и пережимы, флексуро-образные перегибы и местные разрывы угольного пласта способствуют появлению внезапных выбросов. Частота внезапных выбросов возрастает в пределах пласта с увеличением углов падения и мощности. Обводненность пород ослабляет явление внезапного выброса угля и газа. Ослабевают они и с повышением газоносности. С увеличением глубины, по-видимому, падает зависимость частоты я интенсивности внезапных выбросов от нарушений угольного  пласта.

В настоящее время ведутся  исследования с целью использования сил горного давления, проявляющихся при горных ударах, для облегчения безлюдной выемки угля путем искусственного вызова  горных ударов.

Депрессионные  деформации  пород в поле водопонижения.

Предварительное водопонижение при разработке месторождений полезных ископаемых, интенсивные откачки подземных вод для водоснабжения, добычи нефти и газа резко изменяют природную гидрогеологическую   обстановку   массивов   горных   пород.

В зоне развития депрессионной воронки происходит перераспределение напряжений вследствие снятия эффекта гидростатического взвешивания в пластах.

Приращение эффективных  напряжений в пласте за счет снижения  гидростатических  напоров  составит:

Значительное снижение нейтрального (порового) давления в пластах в  зоне развития депрессионной воронки обусловливает депрессионное уплотнение горных пород, повышение напряжений в скелете пород, увеличение их прочности. При этом породы, представляющие водоносные горизонты, уплотняются по всей их мощности. Перераспределение напряжений и деформации глинистых пород могут происходить как по всей мощности пласта, так и лишь по его части, называемой зоной уплотнения.

Мощность зоны уплотнения зависит от величины приращения напряжений у дренирующего контакта пласта и: значения начального   градиента   фильтрации.

Наибольшее влияние оказывает  депрессионное уплотнение на прочностные свойства тонкозернистых, глинистых песков и глин. При уменьшении влажности глинистых пород происходит повышении свободной поверхностной энергии на границе раздела твердой и жидкой фаз, исчезают переходные диффузные слои, значительно возрастает величина сцепления. Изменения напряженного состояния породного массива в результате снижения гидростатических напоров в основном определяют деформации как дренируемых, так и контактирующих с ними пластов. На участках производства водопонизительных работ депрессионные воронки занимают огромные площади и обычно имеют незначительные уклоны, что обусловливает в основном вертикальные линейные деформации пластов, т. е. осадки. Осадки пластов, вызванные снижением гидростатических напоров, отмечены в ряде районов   различных   стран.

При прогнозировании напряженно-деформированного состояния породных массивов в поле водопонижения необходима постановка специальных экспериментов, позволяющих определять параметры прочности и деформации пород с учетом изменения их напряженного состояния, так и явлений, не связанных с общим приращением напряжений в  скелете породы.

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос № 3.

Складчатые формы  залегания горных пород.

Залегание горных пород -  формы и пространственное положение горных пород в земной коре. Осадочные и метаморфические горные породы залегают обычно в виде слоев или пластов, ограниченных приблизительно параллельными поверхностями. Осадочные породы при ненарушенном первоначальном их залегании располагаются почти горизонтально (рис. 1), реже они имеют первичный наклон в одну сторону или изгибы, обусловленные рельефом той поверхности, на которой отлагались. Нарушения первоначального залегания горных пород или их дислокации вызываются двумя причинами: эндогенными, к которым относятся тектоническим движения, и экзогенными, как, например, деятельность поверхностных и особенно грунтовых вод, вызывающих оползни, обвалы, растворение пород и др.

По условиям накопления осадочных  горных пород выделяют 3 вида залеганий горных пород: Трансгрессивное залегание, Регрессивное залегание и Миграционное залегание.

По характеру нарушений  различают 3 главные группы залегания горных пород: складчатые, или пликативные (без разрыва сплошности пластов), разрывные, или дизъюнктивные (с разрывом), и формы нарушения, связанные с внедрением (прорывом) магматических масс или высокопластичных пород (соли, гипсы) в ранее образовавшиеся толщи горных пород.

Среди складчатых форм нарушенного  залегания горных пород выделяются: односторонний наклон пластов под различными углами (моноклинальное залегание), изгибы пластов с образованием складок самых разнообразных размеров и форм (антиклинальные, синклинальные, прямые, косые, опрокинутые и др.). Среди разрывных нарушений выделяются крутопадающие нарушения, вызывающие разрыв сплошности пластов с движением прилегающих блоков пород в вертикальном, горизонтальном либо наклонном направлениях (сбросы, взбросы, сдвиги, раздвиги, надвиги). Крупные, пологонаклонённые или горизонтальные разрывы со смещением на десятки км носят название покровов или Шарьяжей. К прорывающим формам залегания горных пород в осадочных толщах относятся диаспоровые складки (складки «с протыкающим пластичным ядром») и складки, возникающие при внедрении магматических расплавов. При наличии разновозрастных комплексов слоев различают 2 основных типа залегания горных пород: Согласное залегание и Несогласное залегание. Эти термины используются для определения стратиграфических и структурных взаимоотношений. Стратиграфическое согласное залегание характеризует непрерывность накопления пород; при стратиграфическом несогласии в осадочных, вулканогенных и метаморфических толщах выпадают отдельные стратиграфические подразделения (рис. 2). При структурном согласном залегании комплексы пород разного возраста залегают друг на друге параллельно и комплекс верхних слоев повторяет формы залегания нижних. При структурном несогласном залегании нижний и верхний комплексы залегают различно, причём основание верхнего комплекса перекрывает различные слои нижнего комплекса, обычно имеющие более крутые углы наклона (рис. 3). Размещение слоев на косо срезанной эрозионными процессами поверхности более древней толщи называется прислонённым залеганием или прилеганием, а заполнение впадин в древнем комплексе пород более молодыми слоями, отложенными быстро наступающим морем, — дигрессивным залеганием.