Физико-механические свойства угля и вмещающих пород Подмосковного бассейна
Физико-механические свойства углей Подмосковного бассейна изучались Подмосковным научно-исследовательским угольным институтом. По предложенной Н.П. Гвоздевой классификации, угли подразделяются на три класса: I — твердые, II — средней твердости и III — мягкие.
К I классу (твердость PH g>20% от твердости кварца) относятся сапропелиты, разделяющиеся на две группы: неокисленные массивные и окисленные плитчатые. Ко II (твердость 20—10%) — гумиты неокисленные, слоистые, буровато-черные и серовато-черные, полуматовые и матовые. К III (твердость < 10%) — гумиты, разделяющиеся на две группы: неокисленные тонкослоистые черные и окисленные землистые (рыхлые) коричневые. Каждый из классов характеризуется, помимо твердости (плотности), также сопротивлением сжатию, удельным весом и химическим составом.
В соответствии с указанной классификацией углей угольные пласты Подмосковного бассейна могут быть также подразделены на три класса в зависимости от содержания в них различных по твердости углей: твердые, средней твердости и мягкие. При этом следует учитывать, что фактическая твердость пласта в массиве, сопротивление дроблению или другому разрушению зависят не только от сопротивления его составляющих, но и от других факторов, в частности, от горного давления, степени выраженности и ориентировки трещин отдельности (кливажа) и т. д.
В кровле и почве угольных пластов в пределах южного крыла бассейна обычно залегают глины мощностью от 2 до 5 м, реже на отдельных участках прослеживаются мелкозернистые обводненные пески. В юго-западной части бассейна на ряде участков пески имеют более широкое развитие как в кровле, так местами и в почве угольных пластов; на месторождениях западного крыла мощность глин в почве достигает часто 15—20 м.
На участках непосредственного залегания песков в кровле пласта при выемке угля оставляют пачку угля мощностью 10—15 см для обеспечения устойчивости кровли. При залегании глин в кровле пласта уголь не оставляется, за исключением случаев, когда его мощность превышает высоту выемки, т. е. превышает 2—2,5 м.
Надугольные глины подразделяются на две основных разновидности: песчаные и тяжелые. В первых содержание глинистых частиц размером 0,005 мм не превышает 30% (шахта 25 «Ломинцевская»), во вторых содержание глинистых частиц возрастает до 50—80% (шахты 4 «Зубовская», 47 «Смородинская», 41 «Ширино-Сокольническая» и другие).
Естественная влажность глин на месторождениях южного крыла колеблется от 18 до 25%, число пластичности 12—16. На месторождениях западного крыла бассейна колебания этих величин более широкие: естественная влажность 4—41, число пластичности 9—28.
В естественных условиях глины находятся в полутвердом состоянии. Пористость глин 30—40%; способность к уплотнению средняя (коэффициент уплотнения 0,02—0,05). Отношение глин к увлажнению различно. Песчаные глины быстро размокают, не набухая при увлажнении. Глины второй разновидности размокают медленно, при увлажнении набухают, увеличиваясь в объеме на 8—10%. Проявление деформаций пучения в выделенных разновидностях глин также различно. В песчаных глинах не наблюдается явления пучения. В тяжелых глинах деформации пучения отмечены на шахтах Поплевинская, 3 Липковская, 12 Гранковская, 4—8 Глубоковская, 23 Ломинцевская, 4 Зубовская, 1 Каменецкая, 30 и 47 Смородинские, 1 и 15 Липковские, на шахтах Нелидово-Селижаровского угленосного района и др.
Пучащиеся глины оказывают сильное давление на крепь: даже усиленное деревянное крепление на участках пучения через 4—6 месяцев выходит из строя, элементы крепи разрушаются, выработки заполняются породой, искажается профиль откаточных путей. Существующие типы деревянных крепей для участков пучения неприемлемы, такие участки необходимо закреплять железобетонной и бетонной крепью. Ввиду дороговизны последних в настоящее время предлагается металлическая кольцевая и многошарнирная бетонитовая крепь.
Обычно пучению подвергаются пласты глин мощностью свыше 1—2 м при условии их длительного систематического увлажнения. Если мощность надугольных глин не превышает 1 м и подугольные воды безнапорны, то явлений пучения в надугольных глинах не возникает. В подугольных глинах песчаные разновидности встречаются реже, поэтому явления пучения наблюдаются чаще.
На отдельных участках месторождений в кровле выработок преимущественно прослеживаются пески (шахты 25 «Ломинцевская», 4 «Зубовская» и другие). Представлены они тонкозернистыми кварцевыми разностями, содержащими частицы диаметром 0,1—0,05 мм свыше 50—80%, глинистых разностей от 0 до 17%. Местами прослеживаются пески мелкозернистые с преобладающим содержанием частиц диаметром 0,25—0,1 мм, коэффициент фильтрации которых достигает 2—5 м/сутки.
В целом пески, залегающие в кровле и почве угольного пласта на южном крыле Подмосковного бассейна, следует охарактеризовать, как тонкозернистые, часто с высоким содержанием пылеватых и глинистых частиц, обладающие весьма слабой водоотдачей и низкими фильтрационными свойствами (коэффициент фильтрации от 0,5 до 2 м/сутки). На западном крыле среди подугольных песков, которые здесь отличаются меньшим распространением, преобладают мелкозернистые разности.
Для осушения песков применяются забивные фильтры. Осушаются пески медленно. Средний срок действия забивных фильтров равен двум-трем месяцам, изредка встречаются фильтры, работающие 11—12 месяцев. Иногда пески представлены более чистыми разностями, не засоренными глинистыми частицами. В них преобладают фракции диаметром 0,25—0,05 мм до 90% (кровля северо-восточной части поля шахты 41 Ширино-Сокольнической и поля 1—4 Березовского месторождения). Коэффициент фильтрации в песках этой разновидности колеблется от 2 до 8 м/сутки.
Прорывы песков в горные выработки наблюдаются весьма часто особенно в период строительства, когда они еще не осушены. По объему вынесенного в горные выработки песка и по своему характеру различаются прорывы двух разновидностей. Если в прорывах участвуют только нижние слои надугольных песков, то объем вынесенного в горные выработки песка обычно не превышает 5—10 м3. Если же в прорывах участвует весь пласт надугольных песков, то объем вынесенной массы песка увеличивается до сотен кубометров, и на поверхности земли в таких случаях обычно образуются воронки, вызванные проседанием пород (шахты 2 «Бибиковская», 26 «Ломинцевская» и др.).