Горно-геологические условия Средней Азии

В Средней Азии работает 21 угледобывающее предприятие, в том числе 3 карьера, 6 штолен и 12 шахт. Максимальная достигнутая глубина карьера 120 м (Ангрен), длина штолен 5000 м (Нарын), вертикальных стволов шахт 420 м (Кызыл-Кия) и наклонных стволов шахт 400 м (Кызыл-Кия). Наименьшая достигнутая производительность карьера в год равна 178 тыс. г (Кызыл-Кия) и наибольшая 3664 тыс. т (Ангрен); достигнутые мощности шахт соответственно составляют 79 тыс. г (Согуты) и 595 тыс. т в год (Кызыл-Кия).

Дальнейшее развитие угледобычи в Средней Азии должно идти по пути освоения новых месторождений и участков с возможной открытой добычей и штольневым вскрытием запасов. Значительное увеличение добычи угля за счет реконструкции действующих шахт невозможно, так как в основном шахты старые и постепенно идут на погашение.

Основные горно-геологические условия среднеазиатских месторождений угля могут быть охарактеризованы следующим образом: 1) условия вскрытия благоприятные — карьерами, штольнями и шахтами глубиной до 400 м; 2) значительные запасы, обеспечивающие большой срок работы предприятий; 3) большая мощность пластов или много-пластовость, позволяющая развивать широкий фронт работ; 4) относительно простое тектоническое строение разведанных месторождений; 5) достаточная устойчивость основной массы пород, вмещающих угольные пласты, при условии соблюдений правил эксплуатации; 6) небольшие притоки подземных вод в горные выработки.

Ниже дается краткое описание некоторых горно-геологических факторов, изученных в процессе эксплуатации по действующим угледобывающим предприятиям, а также на отдельных крупных перспективных месторождениях по результатам опытных работ, проведенных при разведке.

Мощность и строение угольных пластов. В Средней Азии наибольшее количество запасов угля сосредоточено в пластах, имеющих более 3,5 м (65% от балансовых действительных и вероятных запасов). Наибольшие мощности пласта известны на Ангренском (до 70 м), Кара-Кичинском (до 92 м), Кызыл-Кийском (до 42 м), Байсунском (до 24 м), Шурабском (до 20 м), Джергаланском (до 19 м), Кок-Янгакском (до 17 м), Шаргуньском (до 13,5 м) и Фан-Ягнобском (до 12 м) месторождениях. Пласты имеют, как правило, сложное строение и состоят из 3—35 угольных пачек, разобщенных между собой породными прослоями мощностью от нескольких миллиметров до 1 м и лишь в отдельных случаях до 1,5—2 м. В зависимости от глубины залегания пластов угля и коэффициента вскрыши разработка мощных пластов производится открытым способом (Ангрен, Кызыл-Кия) или подземным.

При подземном способе разработка ведется наклонными слоями мощностью от 2 до 3 м, при количестве слоев от 2 до 6. Открытая добыча намечается на Кара-Кичинском месторождении, Абширском участке Кызыл-Кийского и участке № 12 Сулюктинского месторождений. При добыче открытым способом выемка угля производится вместе с тонкими породными прослоями (1—30 см), к почве отрабатываемого слоя приурочивается более мощный породный прослой, который затем идет во внутреннюю вскрышу. Величина отрабатываемого слоя обычно не превышает 3—5 м. В связи с горным рельефом на месторождениях Фан-Ягноб, Байсун и др., в настоящее время не эксплуатирующихся, вскрытие пластов может быть осуществлено штольнями.

Запасы угля, приуроченные к пластам средней мощности (1,3—3,5 м), составляют 23%; они присущи всем эксплуатирующимся месторождениям, месторождениям Кок-Майнак-Кара-Кичинского района, а также Байсунскому, Фан-Ягнобскому и Узгенскому бассейнам. Только на Нарынском месторождении разработка пластов этой мощности ведется открытым способом, на остальных — подземным в один или два слоя. Пласты чаще всего имеют сложное строение и состоят из 3—15 пачек угля. Вскрытие пластов этой мощности штольнями возможно на месторождениях Минкуш, Кок-Майнак, Кара-Киче, Туюк, Каргаша, Фан-Ягноб, Кштут-Зауран, Зидды и др. На эксплуатирующихся месторождениях в зависимости от условий залегания при разработке применяются длинные столбы по простиранию (Кызыл-Кия, Кок-Янгак, Нарын) и наклонные слои с полным обрушением (Кызыл-Кия, Шураб, Нарын). В тех случаях, когда мощность пластов большая, а тектонические условия очень сложные, применяются короткие столбы на всю мощность, а в отдельных случаях — система, приближающаяся к камерной. Несмотря на наличие на многих месторождениях кливажа, лавы редко располагаются с учетом последнего.

К тонким относятся пласты мощностью от 0,7 до 1,3 м, которые содержат до 12% балансовых запасов. Пласты указанной мощности разрабатываются на всех эксплуатирующихся месторождениях подземным способом и только на Нарынском месторождении они частично отрабатываются карьером совместно с пластами средней мощности. В последнее время в связи с изменением кондиций тонкие пласты отрабатываются на буроугольных месторождениях до мощности 0,8 м. Система разработок та же, что и для пластов угля средней мощности.

Распределение добычи и эксплуатационных потерь угля по системам разработки на южнокиргизских месторождениях приведена в табл. 48.

Как видно из табл. 48, наибольшие потери угля возникают при безлюдной выемке (подпил забоя лавы стальным тросом с резцами и с помощью лебедок, установленных в штреках) и составляют 53%, на втором месте стоит магазинная система — 42%, до 32% потерь угля имеет щитовая система.

При разработке длинными столбами, являющейся основной, потери составляют только 16%.

От неправильного ведения горных работ возникают завалы, раздавливаются целики и возникают пожары, потери угля в этих случаях достигают 3%, при увеличении их до 7% в системе наклонных сплошных слоев и длинных столбов по простиранию с отработкой обратным ходом.

Из общих потерь по геологическим условиям потери угля на некоторых месторождениях характеризуются следующими цифрами (в %): Кызыл-Кия 9,1; Сулюкта 9,2; Иссык-Куль 12,8; Кок-Янгак 22,7; Таш-кумыр 53,8.

На Ташкумырском месторождении очень сложные геологические условия на поле штольни Капитальная, где залегает мощный пласт с крутым падением и сильной трещиноватостью. Рациональной системы разработки для этого поля до сих пор не выработано.

Физико-механические свойства углей и вмещающих пород во многом зависят от петрографического, минералогического и литологического состава, вида цемента, степени метаморфизма, тектоники, способов добычи и пр. Угли, содержащие большое количество форменных элементов, более вязкие и дают на 5—7% выхода крупных классов больше, чем угли с преобладающей гелифицированной основной массой (Кызыл-Кия, Шураб). Бурые угли (за исключением ангренского) обладают большей вязкостью, чем угли каменные, в связи с чем выход крупных классов в бурых углях на 3—5% выше.

Данные процентного выхода классов по буроугольным месторождениям Кызыл-Кия и Сулюкта и каменноугольным месторождениям Кок-Янгак и Джергалан приведены в табл. 49.

Особенно много мелочи дают каменные угли Нарынского месторождения. Общее количество мелочи возрастает при добыче угля из тектонически нарушенных участков, где уголь местами перетерт и превращен в порошок (Кок-Янгак, Нарын). В целом по эксплуатируемым месторождениям процентный выход сортов соответствует стандартам.

Вмещающие пласты угля породы представлены глинами, аргиллитами, алевролитами, песчаниками и в редких случаях конгломератами; эти породы являются довольно устойчивыми и позволяют проходить горизонтальные выработки с креплением «вразбежку». На отдельных участках шахтных полей появляются породы слабоустойчивые, сложенные глинами, глинистыми сланцами или трещиноватыми песчаниками; в этих случаях во избежание обрушения в кровле очистных выработок оставляют защитный слой угля мощностью до 30 см, который выполняет роль экрана. Местами появляется ложная кровля или «кошма», представляющая собой слой глины мощностью 20—80 см, который периодически отслаивается, а в этих местах в дальнейшем образуются купола. Во избежание такого явления требуется сплошная затяжка кровли выработки или искусственное обрушение ложной кровли до более устойчивых пород. Возникновение куполов особенно опасно там, где в кровле плохо сцементированы песчаники или песчано-глинистые породы, если даже они слабо водоносны. Породы устойчивы при влажности порядка 10—15% и пластичности, равной 15—25 единицам, и начинают течь при повышении влажности до 40%. Образование куполов может привести к серьезным авариям и потери выработок в связи с тем, что они являются первопричиной образования больших объемов породной разжиженной массы. Механизм образования грунтовой массы и ее действия на горные выработки схематично могут быть представлены в следующем виде. При образовании купола последний обычно закрепляется бревенчатой крепью (клеть). По стенкам купола происходит сначала увлажнение пород, затем они приобретают консистенцию разжиженной массы, которая постепенно поступает сквозь щели в крепи в выработку и убирается.

За счет утечки грунтовой массы купол продолжает развиваться, превращаясь в своеобразный резервуар большого скопления разжиженных масс. Рост этого резервуара (мешка) продолжается иногда месяцами и захватывает площадь в несколько сотен метров, а по вертикали распространяется до нескольких десятков метров. В этих условиях напряжение крепи резко возрастает, так как законы горного давления не применимы для разжиженных масс. В какой-то период времени разжиженная масса не выдерживает давления вышележащих пород и происходит массовое их обрушение на значительном пространстве, при этом создается мощный гидравлический удар по всей крепи. Крепь рушится, а в выработку поступают огромные количества породной разжиженной массы. Как правило, такие выработки необходимо заперемычивать, бросать их и проводить новые на значительном расстоянии от аварийных.

Такие случаи описаны М.В. Сыроватко для Ленгерского месторождения и шахты № 6 Кызыл-Кийского месторождения. А.А. Гаврилин такие явления наблюдал дважды на шахте Джиджиган Кызыл-Кийского месторождения, а Н.В. Ильченко — на шахте № 8 Шурабского месторождения. Выбросы породных разжиженных масс в отдельных случаях достигали объема 12 тыс. м3.

Основными мероприятиями по борьбе с вышеописанным явлением служит недопущение образования первоначального купола. Если такой возник, то совершенно необходимо закрепить его таким образом, чтобы из него не могла поступать разжиженная масса даже в незначительном количестве. Для осушения такого очага целесообразно применять забивные фильтры с распространением их сферы влияния на площадь, примерно в 5—7 раз превышающую зону куполения, и сплошное бетонирование выработок.

В случае возникновения больших «мешков» грунтовой массы необходимо в них нагнетать цементную пульпу, что приведет к цементации всего очага и возможности удержания выработки в нормальном рабочем состоянии.

Другой причиной, мешающей нормальной работе шахт, является также переувлажнение юрских глинистых пород. М. В. Сыроватко пишет, что глинистые породы в кровле и почве пласта угля при естественной влажности сохраняют свою структуру и вполне устойчивы. При воздействии же воды, появление которой всегда связано с горными работами, они увеличиваются в объеме, «пучат». Пучение является бичем почти на всех угольных месторождениях Средней Азии, где степень метаморфизма не превышает для угля стадии марки Г. Пучение обусловливает уменьшение сечения выработок, деформацию крепи и нарушает откаточные рельсовые пути; при крутых падениях происходит сдвиг пород почвы по отношению кровли. В карьерах происходит деформация и оплывание бортов, отдельных уступов и водоотводящих траншей (Ангрен, Алмалык).

В отдельных выработках Сулюктинского, Шурабского, Кызыл-Кийского, Кок-Янгакского и Нарынского месторождений поддирка почвы со снятием рельсовых путей производится трижды в год с частичной или полной заменой крепи. Пучащие породы проникают в выработки также со стороны стенок через промежутки крепи.

Величина разбухания глинистых пород в зависимости от их минерального состава колеблется в широких пределах — от 30% первоначального объема до 5-кратной величины. Полное размокание поверхностного слоя юрских глин в воде происходит от 15 минут до 100 часов, юрских песчаников — от 1 до 250 часов.

В настоящее время способов, позволяющих полностью избавиться от процессов пучения, пока нет, но замечено, что при интенсивном проветривании выработок пучение происходит более медленно; также значительно понижается быстрота пучения почвы выработок при прокладке желобов по водосточным канавкам.

Некоторые геологи и эксплуатационники считают, что пучение возникает не только от набухания пород при их увлажнении, но и вследствие разности давления между внутренними частями массива и обнаженной поверхностью пород, вскрытых выработками, т. е. происходит выжимание пород в область пониженного давления. Однако в настоящее время разграничить эти два вышеописанных явления не представляется возможным из-за слабой их изученности.

Песчано-глинистые породы юрского и мелового возраста очень часто являются неустойчивыми и на поверхности, образуя оплывины и крупные оползни. Оползневыми процессами захватываются и четвертичные суглинки. На Сулюктинском и Кок-Янгакском месторождениях в отдельные годы оползневая деятельность была настолько интенсивна, что приобрела катастрофические размеры, разрушив несколько промышленных объектов и жилые дома. Оползневой рельеф можно наблюдать также на неэксплуатирующихся месторождениях Кара-Киче, Узгенского бассейна и др.

Для выяснения причин этого явления и разработки мероприятий по борьбе с ними проводились специальные исследовательские работы, о результатах которых можно сделать следующие выводы. Образование оползней зависит от крутизны склонов, литологического состава пород и условий залегания, т. е. имеет место наклон слоев в сторону массива или в сторону борта, гидрогеологических условий и в значительной мере от деятельности человека, создающего различного назначения врезы и перегрузки на строительных площадках. В каждом отдельном случае разработка защитных мероприятий должна быть индивидуальной, но изучение инженерно-геологических условий поверхности среднеазиатских угольных месторождений должна быть обязательной как при ведении геологоразведочных работ, так и в период строительства объектов.

Средние данные крепости пород по шкале М.М. Протодьяконова для каменноугольных и буроугольных месторождений приведены в табл. 50.

Результаты испытаний на раздавливание приведены в табл. 51.

Основные физические свойства юрских пород приведены в табл. 52.

Обводненность. Как указывалось, гидрогеологические условия эксплуатируемых месторождений в целом благоприятные. Степень обводненности юрских пород, расположенных выше местного базиса эрозии, весьма незначительна и выражается следующими цифрами: для Джергаланского месторождения до 300 м3/сутки, для Шаргуньского до 370 м3/сутки. Угледобывающие предприятия, работающие ниже базиса эрозии, имеют притоки до 3000 м3/сутки, в том числе по месторождениям: Нарын 240—1200 м3/сутки, Кок-Янгак 1200—3000 м3/сутки, Кызыл-Кия 180—720 м3/сутки, Шураб 240—600 м3/сутки и Сулюкта 40—450 м3/сутки, Ангрен (карьер) до 20 тыс. м3/cyтки. Расчетные притоки подземных и ливневых вод в Абширский карьер Кызыл-Кийского месторождения могут составить 6500 м3/чac, в Алмалыкский карьер того же месторождения 7400 м3/чac и Кара-Кичинский карьер 7500 м3/чac.

Невысокая степень водообильности мезозойских отложений целиком обусловливается низкими фильтрационными свойствами и небольшими динамическими запасами. При вскрытии обводненных тектонических зон или пластов с повышенной водообильностью происходит постепенная, непродолжительная во времени сработка статических запасов.

Значительную угрозу для шахт могут представлять прорывы поверхностных вод.

Прорывы поверхностных вод. Большинство среднеазиатских угольных месторождений располагается в предгорной или горной местности, характеризующейся весьма пересеченным рельефом и наличием временных водотоков, по которым стекают воды в период интенсивного таяния снегов в горах или селевые потоки, вызванные сильными дождями.

Под этими временными водотоками (саями) проходит много эксплуатационных выработок, а также производятся очистные работы.

Зоны обрушения от посадки кровли лав и купола часто распространяются до дневной поверхности, через которые происходит прорыв талых и селевых вод с последующими осложнениями, а в отдельных случаях даже потерей выработек.

Примером таких прорывов поверхностных вод могут служить следующие шахтные поля: на поле штольни Северная № 1 Нарынского каменноугольного месторождения, когда штреки пересекали Кара-Гундай-Сай, возник сильный капеж, приведший к размоканию пород и образованию купола, ликвидация которого потребовала значительного времени и затрат. В меньшей степени подобное явление наблюдалось по штреку штольни Капитальная при пересечении им Сара-Камыш-Сая. На Кызыл-Кийском месторождении при проходке уклонов шахты Джинджиган, под руслом водотока того же названия, в разное время и разных выработках образовывались купола, зона обрушения доходила до поверхности и в шахту поступали воды подруслового потока, в результате чего одна из основных выработок была брошена и потребовалось проведение параллельных дополнительных выработок.

На Сулюктинском месторождении селевые воды проникали в выработки шахт № 2/8 и 9.

Приведенные примеры с очевидностью свидетельствуют о необходимости оставления под постоянными и временными водотоками целиков, которые могут быть отработаны в самый последний момент погашения шахт. Рекомендации о проведении таких защитных мероприятий геологами делались неоднократно, но должного внимания этому вопросу до сих пор не уделяется.

Селевые воды могут иметь высокий уровень и затоплять не только долину саев, но и прибортовые ее части, в связи с чем различные выходы из подземных горных работ следует помещать как можно выше над. тальвегом саев.

Горные удары довольно значительной силы известны на Шурабском буроугольном месторождении, где шахтой № 8 разрабатывается мощный пласт в (12—20 м). На глубине 300 м от поверхности в подготовительных выработках, пройденных по пласту, возникли горные удары, которые сопровождались поднятием почвы, разрушением рельсовых путей и деревянного крепления.

Наблюдениями установлено, что большой силы горные удары проявляются при прохождении выработок в почве или середине пласта, когда над выработкой находится большой массив угля.

Предполагается, что горные удары относятся к действию остаточных явлений, связанных с тектоническими движениями; упругая деформация с большей силой проявляется там, где имеют место резкие перегибы пласта с более крутого угла падения на более пологий. В качестве мер по борьбе с горными ударами на шахте № 8 применяется податливая металлическая крепь; кроме того рекомендуется откаточные штреки проходить в почве пласта — по породе. Когда выработка пройдена по углю, рекомендуется разрыхлять бурением шпуров слой угля над выработкой.

Газоносность. Из всех эксплуатирующихся месторождений опасными по газу являются Ташкумырское (Нарынское), на котором горные выработки штольни Северная № 1 относятся к III категории, а штольни Капитальная — ко II категории по содержанию метана. На остальных действующих предприятиях комбината Средазуголь газовыделений ни на верхних, ни на нижних горизонтах отработки пока не наблюдалось (Сулюкта, Кок-Янгак, Кызыл-Кия, Шураб, Ангрен). При разведке месторождений Туюк и Каргаша глубокими штольнями (более 500 м) выделения метана и других газов не наблюдалось.

При разведке Фан-Ягнобского месторождения содержание метана в воздухе штолен достигало временами 21%. При разведке Кара-Киминского месторождения были скопления углекислого газа в непроветриваемых шурфах, это явление присуще и другим угольным месторождениям Средней Азии. Все действующие шахты являются опасными по пыли.

Самовозгорание угля происходит в подземных условиях в целиках, оставленных в выработанном пространстве, на сопряжении выработок и на поверхности в штабелях. Температура самовозгорания угля месторождений различная и колеблется от 110 до 180°, в том числе на Cyлюкте от 135 до 145°, в Ангрене от 155 до 180°, в Кызыл-Кия от 110 до 140°, в Кок-Янгаке от 120 до 130° и в Шурабе от 135 до 160°. Наиболее легко самовозгораются блестящие разности угля. Благодаря большому количеству в среднеазиатских углях фюзено-ксиленовых разностей температура самовозгорания их значительно выше (на 20—50°) чем углей, например, Челябинского и Подмосковного бассейнов. Необходимо отметить, что угли Узгенского бассейна, по-видимому, не подвержены самовозгоранию, так как обожженные породы здесь не встречаются и отсутствуют современные очаги пожаров, не самовозгорались и отвалы штолен, имеющих 10-летнюю давность. Напротив, на Фан-Ягнобском и других месторождениях Зеравшанского угленосного района выгорание пластов угля происходит довольно интенсивно.

Свободный кремнезем содержится в породных прослоях, а также в породах почвы и кровли угольных пластов. Селикозоопасными считаются породы, содержащие свободного кремнезема более 10%. На среднеазиатских месторождениях в большинстве случаев содержание кремнезема выше указанной нормы.