Ресурсы недр Земли. Сдвижение горных пород

Ресурсы недр Земли. Сдвижение горных пород

 

Георесурсы – это разнообразные аномалии в свойствах недр, их отдельных участков, горных массивов и горных пород, имеющие природное или искусственное происхождение и представляющие собой источники удовлетворения соответствующих потребностей общества.

Горные породы – это геологическое образование твердой деформируемой среды минерального состава. Совокупность горных пород определяется как горный массив.

Георесурсы являются предметом труда в освоении недр и делятся на шесть основных групп:

1) комплексные месторождения твердых, жидких и газообразных ПИ;

2) горные породы вскрыши, размещаемые при открытой разработке месторождений в породных отвалах, часть которых может быть использована для получения стройматериалов (щебня, гравия), и раздельно складируемые в отвалах ПИ, неудовлетворяющие современным требованиям по качеству;

3) отходы горно-обогатительного и металлургического производства;

4) глубинные источники пресных и минеральных вод;

5) глубинное тепло недр Земли;

6) природные и техногенные полости в земных недрах.

Горные породы, которые при современных технико-экономических условиях целесообразно извлекать из недр с целью дальнейшего их использования в природном виде или после соответствующей переработки, называются полезными ископаемыми (ПИ). ПИ бывают твердые (например, железная руда, каменный уголь), жидкие (нефть) и газообразные (природные газы).

Непосредственно в природном виде используются в промышленности каменный уголь, каменная соль, некоторые строительные материалы. ПИ, подвергающиеся после добычи из недр дальнейшей переработке (обогащению, металлургическому переделу) с целью извлечения из них металлов или минеральных веществ, называются рудой.

Руды подразделяются на: 1) руды черных металлов (содержащие железо, марганец); 2) руды цветных металлов (содержащие медь, свинец, цинк, алюминий и т. д.); 3) руды благородных металлов (содержащие золото, серебро, платину); 4) неметаллические руды (содержащие соль, фосфаты, асбест); 5) руды редких металлов (содержащие литий, ванадий, цезий); 6) руды радиоактивных элементов (уран, торий).

Металлические руды бывают простые и полиметаллические. Из простых руд добывают только один металл, а из полиметаллических – два и более.

Металл в руде встречается редко в чистом виде, большей частью он находится в виде химических соединений – рудных минералов. Например, железо содержится в виде гематита (Fe₂O₃), магнетита (Fe₃O₄) и др.; медь в виде халькопирита (CuFeS₂) и др.; свинец в виде галенита (PbS) и т. д.

Минералы – химически связанные твердые тела, достаточно однородные по составу и свойствам (кварц, алмаз, пирит, шпат и др.).

Месторождением ПИ называют естественное скопление ПИ в земной коре. В конце XX века появилось понятие техногенное месторождение – искусственное скопление ПИ в отвалах и хвостохранилищах горных предприятий.

Содержание ПК в руде определяется в процентах по весу (для металлических и неметаллических руд) или в граммах на 1 т или 1 м³ (для редких и благородных металлов).

Горные породы, не содержащие ПИ или содержащие их в недостаточном количестве для промышленной переработки, называют пустыми (вмещающими) породами.

Горная масса – совокупный объем раздробленныхПИ и пустых пород, перемещаемый из недр на поверхность в результате разработки месторождения.

Рудная масса – преимущественно раздробленная руда с примесью пустых пород, попавших в руду в процессе добычных работ.

Наглядно разница между этими двумя понятиями проиллюстрирована на рис. 1.4.

 

 

Классификация рудных тел по форме и элементам

Залегания

 

По своему происхождению все горные породы разделяются на магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические горные породы образовались в результате излияния из глубин земли расплавленной магмы и застывания ее в трещинах или, реже, на поверхности земной коры.

Осадочные горные породы образовались в результате отложения продуктов разрушения магматических пород, остатков животных и растений в бассейнах различных водоемов (рек, озер, морей и т.п.).

Метаморфические горные породы образовались в результате изменения осадочных и магматических пород в недрах земли под воздействием давления, высокой температуры и химического превращения.

По месту залегания горные породы разделяют на коренные и наносы (рис. 1.1).

Коренные породы залегают на месте своего первичного образования.

Наносы – рыхлые осадочные породы, которые образуются в результате разрушения коренных.

 

Рис. 1.1. Разделение горных пород по месту залегания

 

По форме рудные тела принято разделять на:

1) пластовые – имеют осадочное происхождение и отличаются значительной площадью и небольшой выдержанной мощностью (рис. 1.2а);

2) пластообразные – отличаются от пластов менее выдержанной формой при сравнительно плавном изменении мощности и угла падения (рис. 1.2б);

3) линзообразные – в сечении напоминают форму линзы (рис. 1.2в);

4) жильные – могут быть простыми и сложными (с невыдержанными элементами залегания и нечеткими контактами с вмещающими породами) или состоящими из ряда жил и множества прожилков (рис.1.2г);

5) штокверковые – крупные тела неправильной формы, состоящие из густой сети различно ориентированных рудных прожилков и линз (рис. 1.2д);

6) штокообразные представляют собой тела неправильной формы больших размеров (рис. 1.2е);

7) гнездообразные состоят из мелких рудных тел неправильной формы (рис. 1.2ж).

 

а) б)

в) г)

д) е)

ж)

Рис. 1.2. Формы залегания месторождений полезных ископаемых

Рудные тела также нередко нарушаются сбросами, сдвигами, бывают изогнуты, перемяты, раздроблены, в результате чего разработка их усложняется.

Элементами залегания рудных тел являются (рис. 1.3): мощность m_н (по нормали) и m_г (горизонтальная), угол падения a, начальная h и конечная H глубина залегания (распространения), длина по простиранию L.

 

 

Рис. 1.3. Элементы залегания месторождения полезного ископаемого

 

По углу падения месторождения делят на горизонтальные и пологозалегающие с углом падения от 0 до 30⁰, наклонные с углом падения от 25 до 45⁰ и крутопадающие с углом падения более 45⁰.

По мощности рудные месторождения разделяют на пять групп:

1) весьма тонкие – месторождения, при разработке которых очистная выемка сопровождается подрывкой вмещающих пород. Правилами безопасности допускается минимальная ширина очистного пространства 0,6 м, а высота (при пологом залегании рудных тел) 0,8 м. Эти размеры и определяют верхнюю границу мощности рудных тел этой группы;

2) тонкие – месторождения мощностью от 0,6 до 2 м, при разработке которых очистную выемку можно вести без подрывки вмещающих пород, но проведение горизонтальных подготовительных выработок, как правило, требует подрывки;

3) средней мощности – месторождения мощностью от 2 до 5 м. Разработка месторождений средней мощности может производиться без подрывки вмещающих пород как при очистной выемке, так и при проведении подготовительных выработок;

4) мощные – месторождения мощностью от 5 до 20 м, очистная выемка в которых при крутом падении может производиться по простиранию на всю мощность;

5) весьма мощные – месторождения мощностью больше 20 – 25 м. Очистную выемку в этих месторождениях ведут обычно вкрест простирания.

Эти классификации вызваны существенным различием условий разработки и применением при разных углах падения и мощности различных способов очистной выемки.

 

 

Массивов

 

Горно-технологические характеристики комплексно учитывают влияние совокупности многих физико-механических свойств и особенностей поведения горных пород при различных воздействиях. К ним относят: 1) характеристики пород в массиве – крепость, абразивность, устойчивость и трещиноватость; 2) характеристики разрушенных пород – кусковатость, сыпучесть и слеживаемость.

Крепость характеризует сопротивляемость пород противостоять внешним силовым воздействиям (при бурении, взрывании, различных проявлениях горного давления).

Для количественной оценки крепости пород используется коэффициент f, предложенный проф. М.М. Протодьяконовым еще в начале ХХ века: f » s_сж / 10, где s_сж – предел прочности породы на сжатие, МПа.

Выделяют четыре категории пород по крепости: 1) мягкие (f< 4); 2) средней крепости (f = 4 ¸ 8); 3) крепкие (f = 8 ¸ 14) и 4) весьма крепкие (f ³ 14).

Абразивность – это способность пород изнашивать контактирующие с ней узлы или детали горных машин. Обычно чем выше коэффициент крепости пород, тем выше степень ее абразивности.

Устойчивость – это способность пород не разрушаться и сохранять равновесие при создании обнажений.

По устойчивости горные массивы классифицируют следующим образом: 1) весьма неустойчивые (совершенно не допускающие незакрепленных обнажений ни кровли, ни боков выработки); 2) неустойчивые (допускающие небольшие (до 4 – 10 м²) обнажения боков при недопущении обнажения кровли; 3) малоустойчивые (обрушающиеся при пролете обнажения 3 м); 4) средней устойчивости (допускающие длительные обнажения при пролете 3 м и непродолжительные обнажения при пролете до 6 – 8 м); 5) устойчивые (допускающие обнажения до 10 – 15 м); 6) весьма устойчивые (допускающие длительные обнажения пролетом более 10 – 15 м).

Трещиноватость – совокупность трещин различных размеров и происхождения, которые структурно разделяют массив пород на отдельности или блоки. Трещины бывают пустые и заполненные водой, несвязанным или сцементированным материалом.

Трещиноватость обычно оценивают по показателю удельной трещиноватости N – числу трещин на 1 погонный метр массива. Трещиноватость пород существенно снижает их крепость и устойчивость.

Кусковатость – характеризует качество дробления руды при ее отбойке. Кусковатость характеризуется гранулометрическим составом, т. е. процентным содержанием кусков различных размеров в рудной массе.

На практике кусковатость отбитой руды оценивают выходом негабарита – процентным содержанием в общей массе кусков руды, превышающих кондиционные размеры.

Кондиционный (габаритный) размер куска руды – это максимально допустимый размер куска, на который рассчитаны рудоперепускные выработки, погрузочные и транспортные средства.

Сыпучесть горной массы определяется степенью уплотнения раздробленного материала, содержанием в нем мелких и глинистых частиц, прочностью отдельных кусков, содержанием влаги.

Слеживаемость руды представляет собой способность ее с течением времени к уплотнению и превращению в сплошную, трудно разрыхляемую, несыпучую массу. Склонностью к слеживанию обладают руды, в которых присутствует глинистый материал, другие тонкие липкие фракции и влага.

 

 

Сдвижение горных пород

 

Пустоты, образовавшиеся после выемки полезного ископаемого, заполняются со временем или сразу обрушающимися породами, в результате чего массив пород над месторождением деформируется и оседает. Этот процесс называется сдвижением пород. Сдвижение обычно вызывает плавное оседание земной поверхности, без разрыва ее сплошности, или резкое, со значительными смещениями и провалами (рис. 1.5).

 

Рис. 1.5. Сдвижение горных пород при подземной разработке:

1 – граница области сдвижения; 2 – граница зоны трещин;

3 – граница зоны обрушения

 

В области сдвижения горных пород различают: зону обрушения (см. рис. 1.5), в пределах которой сдвижение произошло с разломом и разрушением слоев и отделением от массива отдельных кусков и глыб; зону трещин – область с нарушенной сплошностью пород и трещинами; зону плавных сдвижений, в которой наблюдается пластическая деформация пород без разрыва сплошности. Часть земной поверхности, подвергшаяся процессу сдвижения, называют мульдой сдвижения.

Величина углов сдвижения зависит от физико-механических свойств пород, слоистости, водоносности, глубины разработки и изменяется в широких пределах. При неслоистом строении пород эти углы принимают в пределах 45 – 70⁰, при слоистом – 30 – 65⁰.

Предохранить поверхностные сооружения и выработки вскрытия, в частности копры и шахтные стволы, от сдвижения пород можно путем расположения их за пределами зоны сдвижения (рис. 1.6).

 

 

Рис. 1.6. Построение зоны сдвижения горных пород: a - угол падения рудного тела; j - угол сдвижения в наносах; b, b₁, d - углы сдвижения в коренных породах соответственно по висячему, лежачему бокам и простиранию месторождения; - ширина бермы безопасности

 

Так как фактические углы сдвижения могут оказаться меньше запроектированных, то в целях безопасности поверхностные сооружения и выработки вскрытия принято располагать на расстоянии = 20÷50 м от границы зоны сдвижения на поверхности (см. рис. 1.6).

 

Контрольные вопросы

 

1. Дайте определения понятий «георесурсы», «горная порода», «горная масса», «руда», «рудная масса».

2. Назовите виды горных пород по их происхождению и месту залегания.

3. Перечислите разновидности рудных тел по форме их залегания. Назовите основные элементы залегания.

4. Кратко охарактеризуйте горно-технологические свойства горных массивов.

5. Чем определяется ценность руд? Как разделяют руды по ценности?

6. На какие категории разделяют запасы месторождения? Назовите основные качественные показатели разработки.

7. Дайте краткое описание процесса сдвижения горных пород при подземной разработке.

 

 

Подземные горные выработки

 

 

Горной выработкой называется полость в земной коре, образуемая в результате извлечения горных пород.

Горные выработки разделяют на:

- разведочные;

- вскрывающие;

- подготовительные;

- нарезные;

- очистные.

Разведочные выработки служат для разведки месторождений ПИ: скважины, штольни, шурфы.

Скважиной называют пробуренную в горном массиве цилиндрическую полость любого диаметра глубиной более 5 м или любой глубины диаметром более 75 мм.

Штольня (рис. 3.1, 12) –горизонтальная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность. Штольни проходят в гористой местности

Шурф (13) – вертикальная неглубокая (до 100 м) горная выработка, пройденная с поверхности.

Ресурсы недр Земли. Сдвижение горных пород

 

Георесурсы – это разнообразные аномалии в свойствах недр, их отдельных участков, горных массивов и горных пород, имеющие природное или искусственное происхождение и представляющие собой источники удовлетворения соответствующих потребностей общества.

Горные породы – это геологическое образование твердой деформируемой среды минерального состава. Совокупность горных пород определяется как горный массив.

Георесурсы являются предметом труда в освоении недр и делятся на шесть основных групп:

1) комплексные месторождения твердых, жидких и газообразных ПИ;

2) горные породы вскрыши, размещаемые при открытой разработке месторождений в породных отвалах, часть которых может быть использована для получения стройматериалов (щебня, гравия), и раздельно складируемые в отвалах ПИ, неудовлетворяющие современным требованиям по качеству;

3) отходы горно-обогатительного и металлургического производства;

4) глубинные источники пресных и минеральных вод;

5) глубинное тепло недр Земли;

6) природные и техногенные полости в земных недрах.

Горные породы, которые при современных технико-экономических условиях целесообразно извлекать из недр с целью дальнейшего их использования в природном виде или после соответствующей переработки, называются полезными ископаемыми (ПИ). ПИ бывают твердые (например, железная руда, каменный уголь), жидкие (нефть) и газообразные (природные газы).

Непосредственно в природном виде используются в промышленности каменный уголь, каменная соль, некоторые строительные материалы. ПИ, подвергающиеся после добычи из недр дальнейшей переработке (обогащению, металлургическому переделу) с целью извлечения из них металлов или минеральных веществ, называются рудой.

Руды подразделяются на: 1) руды черных металлов (содержащие железо, марганец); 2) руды цветных металлов (содержащие медь, свинец, цинк, алюминий и т. д.); 3) руды благородных металлов (содержащие золото, серебро, платину); 4) неметаллические руды (содержащие соль, фосфаты, асбест); 5) руды редких металлов (содержащие литий, ванадий, цезий); 6) руды радиоактивных элементов (уран, торий).

Металлические руды бывают простые и полиметаллические. Из простых руд добывают только один металл, а из полиметаллических – два и более.

Металл в руде встречается редко в чистом виде, большей частью он находится в виде химических соединений – рудных минералов. Например, железо содержится в виде гематита (Fe₂O₃), магнетита (Fe₃O₄) и др.; медь в виде халькопирита (CuFeS₂) и др.; свинец в виде галенита (PbS) и т. д.

Минералы – химически связанные твердые тела, достаточно однородные по составу и свойствам (кварц, алмаз, пирит, шпат и др.).

Месторождением ПИ называют естественное скопление ПИ в земной коре. В конце XX века появилось понятие техногенное месторождение – искусственное скопление ПИ в отвалах и хвостохранилищах горных предприятий.

Содержание ПК в руде определяется в процентах по весу (для металлических и неметаллических руд) или в граммах на 1 т или 1 м³ (для редких и благородных металлов).

Горные породы, не содержащие ПИ или содержащие их в недостаточном количестве для промышленной переработки, называют пустыми (вмещающими) породами.

Горная масса – совокупный объем раздробленныхПИ и пустых пород, перемещаемый из недр на поверхность в результате разработки месторождения.

Рудная масса – преимущественно раздробленная руда с примесью пустых пород, попавших в руду в процессе добычных работ.

Наглядно разница между этими двумя понятиями проиллюстрирована на рис. 1.4.