Влияние глубины на изменение свойств горных пород

Рудные полезные ископаемые разведочными и эксплуатационными скважинами обнаружены на значительных глубинах; железные руды на глубине до 1,0 – 2,5 км, цветные металлы – 1,0 – 1,5 км, благородные металлы 2,0 – 3,0 км. Практика разработки месторождений показывает, что до глубины порядка 1000 м прочность той или иной породы изменяется очень мало. Более интенсивные изменения свойств пород (снижение пористости, повышение плотности, прочности, упругих свойств) происходят при дальнейшем увеличении глубины работ. Несмотря на повышение плотности, с глубиной более заметно начинают проявляться ползучесть пород, снижение устойчивости обнажений, склонность к динамическим проявлениям горного давления. Возрастание гравитационного давления с увеличением глубины является причиной повышения вертикального и горизонтальных напряжений. В породах, подверженных всестороннему сжатию на больших глубинах, уменьшается объем пор и пустот, повышаются их плотность и прочность, особенно в осадочных и метаморфизованных породах.

Многие исследователи считают, что на глубинах более 1000 м вертикальные и горизонтальные напряжения выравниваются и достигают таких величин, что породы начинают приобретать пластические свойства. Доказательством этому служат сближение и разрушение стенок скважин и боков горных выработок, пройденных даже в довольно крепких породах.

По данным исследований на угольных шахтах Донбасса при увеличении глубины с 450 до 1450 м пористость пород уменьшается в два три раза, а их прочность возрастает на 20 – 80 %. Пористость песчаника на Прокопьевско-Киселевском месторождении с увеличением глубины от 300 до 1200 м снижается в 2 раза, а предел прочности на сжатие возрастает примерно на 50 % на каждом интервале в 1000 м.

На рудных месторождениях Норильского района зависимость прочности образцов пород на сжатие в интервале глубин от 200 до 1500 м характеризуется следующими корреляционными зависимостями: для габбро-диабазов , МПа; пикритовых габбро-диабазов ; сплошных сульфидных руд .

Однако, как показало сверхглубокое бурение в кристаллических породах, закономерное увеличение плотности подтверждается не всегда. При бурении Кольской сверхглубокой скважины обнаружено, что резкое повышение давления отмечается на глубине до 3 км, а затем на отметке 8 км оно заметно падает. Отмечается уменьшение плотности с увеличением гранитизации пород и возрастание ее с повышением содержания рудных минералов. На глубинах 4 – 8 км наблюдается разуплотнение пород, вызванное увеличением трещиноватости. Это присуще как метаморфическим, так и осадочным породам. На всей длине скважины по зонам тектонических нарушений наблюдались выделения газов (гелия, водорода, азота, метана) и притоки сильно минерализованных вод, насыщенных бромом, йодом, тяжелыми металлами. Это показывает, что на больших глубинах имеются благоприятные условия для образования полезных ископаемых. На глубине 9,5 км в Кольской скважине выявлены признаки минерализации (обнаружены сульфиды, магнетит, мусковит, флогопит).

До проведения выработки массив горных пород находится в состоянии объемного сжатия.

Напряжение в нетронутом массиве по какой-либо оси - δ=δм+δτ

Где: δм – напряжения, вызванные де йствиями силы тяжести вышележащих пород.

δτ – напряжения, вызванные дополнительными силами тектонического происхождения в тектонических районах.

Касательные напряжения в нетронутом массиве оказываются ниже максимальных нормальных напряжений в 2,5÷5 раз.