тема 2.2 горные породы и угольные пласты

ТЕМА 2.2 ГОРНЫЕ ПОРОДЫ И УГОЛЬНЫЕ ПЛАСТЫ
План:
1
2
3
4
Горнотехнические характеристики и классификации горных пород
Угольные пласты и свиты пластов.
Классификация угольных пластов
Марки углей.
1
пород
Горнотехнические характеристики и классификации горных
Физико-механические свойства горных пород являются главными
факторами, определяющими выбор оборудования и технологию добычи. К
наиболее существенным из этих свойств относятся крепость и устойчивость.
Крепость
—
комплексная
характеристика
горных
пород,
характеризующая их сопротивляемость разрушению и зависящая от таких
свойств как твердость, вязкость, трещиноватость, и от наличия прослоек и
включений. Понятие крепости введено проф. М. М. Протодьяконовым,
который предложил для ее количественной оценки использовать
коэффициент крепости f. В первом приближении величина f обратно
пропорциональна пределу прочности породы при сжатии.
Горные породы по сопротивляемости разрушению от воздействия
внешних сил классифицируют по относительной крепости, удельной работе
разрушения, буримости и взрываемости.
Классификация
горных
пород
по
крепости
разработана
М. М. Протодьяконовым в 1926 г. Согласно этой классификации все горные
породы разбиты на 10 категорий. К первой категории отнесены породы
наивысшей крепости (f = 20), к десятой — наиболее слабые плывучие породы
(f = 0,3),
На выбор метода ведения взрывной отбойки горных пород от массива
оказывает влияние взрываемость, под которой понимают сопротивляемость
породы разрушению взрывом. Взрываемость определяется количеством
эталонного взрывчатого вещества, необходимого для разрушения породы
объемом 1 м3 (показатель удельного расхода ВВ). Для определения
удельного расхода ВВ (кг/м3) применительно к конкретным породам
используют различные классификации пород по взрываемости, например
Единую классификацию пород по буримости и взрываемости проф. А. Ф.
Суханова.
Буримость
горной
породы
характеризует
ее
способность
сопротивляться проникновению в нее бурового инструмента и интенсивность
образования в породе шпура или скважины под действием усилий,
возникающих при бурении. Буримость породы характеризуют скоростью
бурения (мм/мин), реже — продолжительностью бурения 1 м шпура (мин/м).
Единая классификация горных пород по буримости разработана
Центральным бюро промышленных нормативов по труду для нормирования
горноразведочных работ. Буримость – это сопротивляемость породы
разрушающему действию инструмента в процессе бурения.
Основной критерий для отнесения пород к той или иной категории по
буримости - машинное время бурения 1 м шпура в стандартных условиях. В
этой классификации породы разбиты на 20 категорий, а по буримости
классифицированы только в пределах IV—XX категорий. Породы I—III
категорий предусмотрено разрабатывать отбойными молотками.
Другие классификации разработаны для расчета норм и различных
расходных показателей применительно к отдельным производственным
процессам (например, Единая классификация горных пород по буримости и
взрываемости, в основу которой положены скорость бурения и удельный
расход взрывчатых веществ).
Устойчивость горных пород - это их способность сохранять
равновесие при обнажении. Устойчивость горных пород зависит от их
структуры и физико-механических свойств, величины возникающих в
породном массиве напряжений. Устойчивость пород является одним из
основных признаков для выбора систем подземной разработки, определения
ее параметров и способов крепления горных выработок.
По устойчивости горные породы условно разделены на пять групп.
Весьма неустойчивые горные породы, не допускающие обнажения
кровли и боков выработки. К ним отнесены плывучие, сыпучие и рыхлые
горные породы.
Неустойчивые горные породы, допускающие некоторые обнажения
боков выработки, но требующие возведения крепи вслед за проведением
выработки.
К
таким
породам
отнесены
влажные
пески,
слабосцементированный гравий, обводненные или сильно разрушенные
горные породы средней крепости.
Породы средней устойчивости, допускающие обнажение кровли на
сравнительно большой площади, но требующие постановки крепи при
длительном обнажении. Это достаточно уплотненные мягкие породы
средней крепости, реже крепкие и трещиноватые.
Устойчивые породы допускают обнажения кровли и боков на большой
площади, поддержание требуется только в отдельных местах. Это мягкие,
средней крепости и крепкие породы.
Очень устойчивые допускают без поддержания обнажения на большой
площади и длительное время (десятки лет). Крепить выработки в таких
породах не требуется.
2
Угольные пласты
Пластом называется плитообразная залежь, имеющая значительное
распространение в земной коре и ограниченная двумя более или менее
параллельными плоскостями. Весьма тонкие пласты, не разрабатываемые
вследствие малой мощности (до 0,4 м), называются пропластками.
Плоскости соприкосновения пластов отдельных пород называются
плоскостями напластования.
Породы, залегающие над пластом полезного ископаемого, называются
кровлей или висячим боком, залегающие ниже пласта — почвой или лежачим
боком.
Пласты могут иметь однородное (простое) и сложное строение. Тонкие
слои пустой породы, заключенные в пласте, называются прослойками.
Правильную форму залегания обычно имеют месторождения полезных
ископаемых осадочного происхождения (уголь, горючие сланцы, различные
соли, гипс, марганцевые руды и т.п.).
К неправильным месторождениям относятся жилы, штоки, гнезда,
линзы. Неправильную форму залегания имеют, как правило, рудные
месторождения.
Жилой называется заполненная минеральным веществом трещина в
земной коре. Жилы бывают простые и сложные. Ответвления от жил
называют апофизами.
Такие формы залегания, как штоки, линзы, гнезда, представляют собой
полости в земной коре, заполненные минеральным веществом. Они
отличаются друг от друга формой и размерами. Такую форму залегания
имеют месторождения железных, медных, полиметаллических и других руд.
Часть пласта, выходящая на земную поверхность или находящаяся
неглубоко от нее под наносами, называется выходом пласта (под наносы).
Пласты угля залегают согласно, если они в земной коре расположены
параллельно друг другу. Несколько согласно залегающих пластов составляют
свиту.
Рис.1 Вскрытие одиночного пласта и свиты пластов пологих, наклонных и
крутопадающих
Пласты горных пород в период образования залегали более или менее
горизонтально, но под действием тектонических (горообразовательных)
процессов, протекавших в земной коре, первоначальное залегание пород
нарушалось в той или иной степени. В некоторых районах пласты оказались
собранными в складки. Они могут занимать любое положение в земной коре.
Нарушения нормального залегания пластов называются дислокациями.
Дислокации без разрыва сплошности называются пликативными, с разрывом
сплошности — дизъюнктивными. К пликативным нарушениям относятся
утолщения и утонения пластов, а также складчатость. Складка, обращенная
выпуклостью вниз, называется синклиналью, а выпуклостью вверх —
антиклиналью. К дизъюнктивным нарушениям относятся сбросы, взбросы,
надвиги и др.
Если рассматривать строение угольного пласта, то различают простые,
то есть без наличия каких-либо прослоев разных горных пород, и сложные
угольные пласты, которые, в свою очередь, могут быть представлены
полосчатыми (из нескольких литотипов) и однородными углями. Наиболее
распространенными являются слои очень сложного строения с большим
количеством слоев угля и горных пород, которые попеременно чередуются
между собой.
Положение пластов в земной коре определяется элементами их
залегания. К ним относятся простирание и падение пластов.
Протяжение пласта в длину называется простиранием. Линия
пересечения пласта с горизонтальной плоскостью называется линией
простирания.
Направление простирания пласта определяется углом, который
составляет линия простирания с меридианом.
Линия, лежащая в плоскости пласта перпендикулярно линии
простирания, называется линией падения, а само направление этой линии—
падением пласта.
Угол, который составляет линия падения пласта с горизонтальной
плоскостью, называется углом падения пласта. В зависимости от формы
залегания и способа разработки полезных ископаемых их делят на
горизонтальные, пологие, крутонаклонные и крутые (табл. 1).
Различие классификаций объясняется особенностями технологии и
механизации разработки залежи полезного ископаемого.
Мощность пласта или иной залежи как элемент залегания
представляет собой расстояние по нормали между кровлей и почвой. Такую
мощность т называют истинной, или нормальной. Расстояние между кровлей
и почвой, измеряемое по горизонтали, называют горизонтальной мощностью,
а по вертикали — вертикальной мощностью.
Поскольку в пределах залежи полезного ископаемого мощность ее, как
правило, изменяется, поэтому на практике употребляют термин — средняя
мощность.
Так как пласты, например, угля, нередко имеют сложное строение, то
различают полезную (без прослойков) и полную (с прослойками) мощность.
При разработке угольных месторождений иногда вынимают только часть
мощности пласта, которую называют вынимаемой мощностью.
Различают также минимальную мощность пласта. Минимальная
мощность, при которой разработка пласта целесообразна, называется рабочей
мощностью.
3 Классификация угольных пластов
Классификация угольных пластов по углу падения и мощности
представлены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1 - Классификация залежей полезных ископаемых по углу падения
Тип пласта (залежи)
по углу падения
Горизонтальный
Пологий
Наклонный
Крутонаклонный
Крутой
Угол падения, градус
рудных
угольных пластов
при подземной при открытой
разработке
—
0—18
19—35
36—55
>56
разработке
0
До 10
10—30
—
>30
месторождений
0
До 25
25—45
—
>45
Таблица 1.2 - Классификация залежей полезных ископаемых по мощности
Тип пласта
(залежи)
Мощность, м
угольных пластов
по мощности при
подземной
разработке
при открытой разработке
Весьма
тонкий
Весьма
малой
мощности
рудных
До 0,7
месторождений
горизонтальные и наклонные и
пологие
крутые
—
—
До 0,6
—
До 3-5
До 15-25
—
Тонкий
Малой
мощности
Средней
мощности
Мощный
Весьма
мощный
Большой
мощности
4
0,71—1,2
—
—
6—20
—
25—75
0,6—2,0
—
1,21—3,5
20—40
75—100
2—5
>3,5
—
—
—
—
—
5—20
>20
—
>40
>100
—
Марки углей
Уголь как газ или нефть является органическим веществом,
сформировавшимся из остатков растительности, накапливающихся в топях и
торфяных болотах, которое под действием биологических и геологических
процессов подвергалось медленному разложению. Это способствовало
медленному преобразованию растительности в торф, торфа в уголь.
Качественные характеристики угля зависят от температуры, давления,
продолжительности периода. В зависимости от свойств угля, определяемых
такими характеристиками как теплотворная способность, содержание
летучих веществ, содержание углерода, серы, влаги, золы, существуют рынки
различных марок углей.
В зависимости от отличий в свойствах и, следовательно, в применении
был разработан ряд стандартов для классификации угля. В зависимости от
степени преобразования и удельного количества углерода в угле
классифицируют четыре типа угля:
Бурый уголь (или лигнит) – наиболее молодой из ископаемых углей,
содержит 65-70% углерода. Применяется в качестве местного топлива и
химического сырья. Из-за огромного количества воды в его составе (43%)
имеет низкую теплоту сгорания. Бурый уголь образуется под давлением и
действием высокой температуры из отмерших органических остатков на
глубинах около 1 километра.

Антрацит – является углем с наибольшей степенью углефикации.
Образуется из каменного угля на глубинах близко 6 километров при
повышенном давлении и температуре. Основными характеристиками
являются большая плотность и блеск, а также высокое содержание углерода
(95%). Используется как твердое высококалорийное топливо с
теплотворностью (6800-8350 ккал/кг). Обладают наибольшей теплотой
сгорания, однако плохо воспламеняются.

Каменный уголь – представляет собой продукт глубокого разложения
древовидных папоротников, хвощей, плаунов, первых голосеменных

растений. Каменный уголь содержит высокую массовую долю углерода,
воды и летучих веществ, с небольшими примесями минеральных веществ,
которые при сжигании самого угля образуют золу. Некоторые органические
соединения, входящие в состав каменного угля обладают канцерогенными
свойствами.

Графиты – минерал класса самородных элементов, имеет
металлический блеск. В природе встречаются в виде кристаллов, включений
в горные породы или в виде огромных масс скрытокристаллического
сложения. В советские времена на Украину приходилось 52% всех
общесоюзных запасов графита, в пределах ее территории было обнаружено
близко 300 месторождений.
Выход
теплота Отражательная
Буквенное
содержание
летучих
сгорания
способность в
Марки угля
обозначение
углерода
г
веществ
Q б,
масляной
марок
Сг, %
Vг, %
ккал/кг
иммерсии, %
41 и
6900—
Бурые
Б
<76
0,30—0,49
более
7500
7500—
Длиннопламенные Д
>39
76
0,50—0,64
8000
7900—
Газовые
Г
36
83
0,65—0,84
8600
8300—
Жирные
Ж
30
86
0,85—1,14
8700
8400—
Коксовые
К
20
88
1,15—1,74
8700
Отощённо8450—
ОС
15
89
1,75—2,04
спекающиеся
8780
7300—
Тощие
Т
12
90
2,05—2,49
8750
8100—
Антрациты
А
менее 8 >91
2,50—6,00
8750
Марка «А» (антрацит). Крупный фракции антрацита используются в
основном в комунально бытовом секторе Украины. Очень популярны и
широко применяются у населения Украины. Также данный уголь марки А
широкое применение получил в энергетическом секторе из-за высокой
теплоты горения.
Марка «Б» (бурый уголь). Что характерно в этой марке, то выход летучих
веществ свыше 45%. Разделяются по влажности на: 1 Б ( выше 43%), 2 Б (2945%), 3 Б (до 32%).
Обозначение коксующихся марок угля.
Марка «Д» (длиннопламенный уголь). Обладает плохой спекаемостью.
Также как и уголь марки А может быть использован как в энергетической
отрасли Украины, так и в бытовой сфере и в химической отрасли Украины,
для формованного кокса, в процессе коксования.
Марка «ДГ» (длиннопламенный газовый уголь). Обладает, напротив,
высокой спекаемостью и незначительной хрупкостью. Но, образующийся
кокс непригоден для дальнейшего использования, так как у него высокая
реакционная способность и низкая прочность. Данная марка по
фракционному составу обладает углями средних и крупных классов.
Марка «Г» (газовые угли). Задействован в коммунально-бытовом секторе
нашего государства, как более дешовая замена углю марки А. Из-за своих
свойств могут быть задействованы в процессе и газификации, формовании
кокса, процесса полукоксования. Подразделяются на следующие
технологические группы: инертинитовые, витринитовые. Низкозольный
витринит используется для получения синтетического топлива.
Марка «Ж» (жирный уголь).
Ценнейший вид коксующихся углей.
Структурная прочность — одна из отличительный особенностей кокса,
полученного из марки угля Ж.
Марка «ГЖО» (газовый жирный отощенный уголь). Составляют больше
половины шихты и являются отличным продуктом для коксования. Также
могут быть использованы для коммунально-бытовых нужд населения
Украины, если они фюзинитовые. Негодятся для выпуска кокса для
металлургии.
Марка «К» (коксовый уголь). Основное предназначение = это получение
металлургического кокса, кондиционного. При этом их не смешивают с
другими видыми углей.
Марка «КЖ» (коксовый жирный уголь). Широко известно, что данная марка
углей применяется в коксохимической промышленности на территории
Украины. Самый высокий показатель коксуемости, что позволяет получить
из этого вида угля меткокс. Обладают следующими показателями:






- отражения витринита от 1,5 до 1,9%,
- выход летучих веществ не более 19,6%,
- влажность 6-13%,
- зольность от 6 до 39%,
- углерод 78-92%,
- водород 4,2-5,%.
СС — слабоспекающийся. Нашел применение на электростанциях,
котельных и в комунально-бытовом секторе Украины. Данному сорту угля
характерны следующие показатели:






- отражения витринита 0,5-1,78%,
- влажность 8-9%,
- зольность от 8 до 45%,
- сера не более 0,8%,
- углерод от 74 до 90%,
- водорода от 4,0 до 5,0%.
Т -тощий. Один из главных показателей — это полное отсутствие
спекаемости. Нашел применение в энергетической отрасли Украины, а также
для коммунально-бытовых нужд.
По размеру получаемых при добыче кусков каменный уголь
классифицируется на







П — (плита) более 100 мм
К — (крупный) 50—100 мм
О — (орех) 25—50 мм
М — (мелкий) 13—25 мм
С — (семечка) 6—13 мм
Ш — (штыб) 0—6 мм
Р — (рядовой) шахтный 0—200 мм, карьерный 0—300 мм