Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ и оценка эффективности применяемых методов прогаза тектонических нарушений угольных пластов 12
1.1. Оценка влияния тектонической нарушенности и других геологических факторов на проявление опасных газо- и геодинамических процессов в горных выработках 12
1.2. Анализ методов прогноза мелкоамплитудной тектонической нарушенности, применяемых при отработке угольных пластов 24
1.3. Анализ геохимических аномалий в зонах тектонической нарушенности угольных пластов 32
1.4. Цель и задачи исследований 39
2. Теоретический анализ процессов миграции эндогенных (глубинных) флюидов в горном массиве 42
2.1. Эндогенная (глубинная) флюидизация угленосных толщ 42
2.2. Особенности формирования углеродистых терригенных толщ. 53
2.3. Формы миграции тяжелых металлов в составе флюидов 60
3. Обоснование и разработка метода прогноза мелкоамплитудных тектонических нарушений угольных пластов по оценке содержания в углях тяжелых металлов (элементов-индикаторов) 64
3.1. Методика шахтных исследований участков мелкоамплитудных тектонических нарушений угольных пластов 64
3.2. Аналитические исследования участков разрывных нарушений 66
3.3. Разработка метода прогноза мелкоамплитудных тектонических нарушений угольных пластов по оценке содержания в углях элементов-индикаторов (тяжелых металлов) 71
4. Особенности формирования аномалий ряда тяжелых металлов в зонах тектонических нарушений угольных пластов (Южный Кузбасс) 77
4.1. Геологическое строение, литологический состав, угленосность и тектоническая нарушенность угольных месторождений Кузбасса 77
4.2. Характерные особенности распределения некоторых тяжелых металлов в участках тектонических нарушений угольных пластов 93
4.3. Обоснование эндогенной природы аномалий ряда тяжелых металлов в участках тектонических нарушений угольных пластов 112
5. Разработка рекомендаций по применению метода текущего прогноза мелкоамплитудных тектонических нарушений угольных пластов по оценке содержания в углях тяжелых металлов (на примере шахты Аларда) 119
5.1. Анализ горно-геологической ситуации на шахте Аларда (пласт 6, лава 6-1-9) 119
5.2. Применение разработанного метода текущего прогноза разрывных нарушений при проведении подготовительных выработок по пласту 6 128
5.3 Выводы об эффективности и рекомендации по применению предлагаемого метода прогноза мелкоамплитудной нарушенности 135
Заключение 138
Литература 141
Приложение 150
- Анализ методов прогноза мелкоамплитудной тектонической нарушенности, применяемых при отработке угольных пластов
- Аналитические исследования участков разрывных нарушений
- Характерные особенности распределения некоторых тяжелых металлов в участках тектонических нарушений угольных пластов
- Применение разработанного метода текущего прогноза разрывных нарушений при проведении подготовительных выработок по пласту 6
Введение к работе
Актуальность работе»!. При отработке угольных пластов в
ложных горно-геологических условиях важно обеспечение
[остоверного прогаоза слабодиагностируемых мелкоамплитудных ектоничесюгх нарушений. С ними связано повышенное метановыделение горные выработки, внезапные выбросы- угля и газа, а также другие игасные газо- и геодинамические процессы. Эти явления отрицательно оздействуют па безопасность проведения горных выработок и на табильность проходческих и очистных работ. По статистическим (анным ВНИМИ и ВостНИИ свыше 95 % внезапных выбросов на гольных шахтах России происходит в зонах тектоничесюгх нарушений, а >бьемы добычи снижаются здесь в 1,2-3 раза. Поэтому разработка и іиедрение метода, позволяющего повысить надежность прогноза іелкоампліггудньїх нарушений, является актуальной научной задачей.
Применяемые в настоящее время методы прогноза
іелкоамплшудной тектонической нарушенности угольных пластов не ісегда позволяют обеспечить необходимую достоверность и точность іанньїх. В результате нарушения часто фиксируются лишь при вскрытии и юдготовке запасов к выемке или уже в . процессе очистных работ. Тоэгому требуется разработка нового метода прогноза, уточняющего и (ополняющего используемые. Для решения этой задачи необходимо 'читывать воздействие внешних факторов, влияющих на фордшрование гараметров угленосных толщ. Значительный интерес представляет [спользование связи геохимических аномалий с тектонической шрушенностыо угольных пластов. Здесь часто отмечаются зоны ювышенной минераяігзашга, графитоподобных новообразований,
геохимические ореолы тяжелых металлов. Формирование этих участі связано с эндогенным воздействием глубинных флюидов на проницаем участки угленосной толщи. Поэтому для разработки нового мел прогноза мелкоамплитудных разрывных нарушений можно использев. результаты анализа содержания в углях ряда тяжелых металл приуроченность которых к участкам тектонической нарушенно< угольных пластов позволяет трактовать их как элементы-индшеаторь] интенсивность их проявления в нарушенных участках может косвеї свидетельствовать об условиях миграции, то есть о горно-геологичесі ситуации. Исходя из вышеизложенного, тема диссертации, посвящеш разработке метода текущего прогноза мелкоамплитудных тектоничес* нарушений угольных пластов по содержанию в углях металл' индикаторов, является актуальной.
Исследования проведены на шахтах АОУК "Кузнецкуголь" направлениям государственной программы "Недра России", регионалы программы "Уголь Сибири", входящей в комплексную програм "Сибирь" СО РАН, и планам НИР СибГИУ.
Целью работы является повышение достоверности прога< мелкоамплитудных тектонических нарушений угольных пластов пут контроля геохимических аномалий, отличающихся повышенш содержанием некоторых тяжелых металлов.
Идея работы заключается в установлении и использован закономерностей распределения физико-геохимических аномал] образуемых радом тяжелых металлов на участках тектоническ нарушенности угольных пластов, для прогнозировав мелкоамплитудных нарушений.
Задачи исследований:
- провести анализ содержания элементов-примесей в углях в зонах
елкоамшппудных тектонических нарушений угольных пластов и
>ишить тяжелые металлы, являющиеся элеиешами-индикаторами
ізрьгоньїх нарушений;
- обосновать эндогенную природу физико-геохимических аномалий
горно-геологических условиях и определить физико-химические
хловия и формы переноса тяжелых металлов в зоны тектонической ірушенности угольных пластов;
- установить связь морфологических и литолопгческих параметров
лсгонических нарушений и интенсивности проявления геохимических
юмалий, образованных элементами-индикаторами;
разработать, метод прогнозирования мелкоамплитудных астенических нарушений угольных пластов по содержанию в углях еталлов-индикаторов;
обосновать критерии и разработать алгоритм оценки Еїформативности элементов-индикаторов тектонической нарушенности ильных пластов;
разработать алгоритм прогноза мелкоамшпггудных жгонических нарушений угольных пластов по аномальный содержаниям еталлов-индикаторов; -
- провести опытную проверку разрабатываемого метода прогноза
эй отработке тектонически нарушенных пластов и разработать
жомендации по его применению.
Методы всследованнй. Для достижения поставленной цели лтользован комплекс методов, включающий:
отбор проб в шахгкых условиях и спектральный анага спектрографом ИСП-30 и микрофотометром МД-100 для определеш содержания элементов-примесей в углях;
химический анализ (весовой метод) для определен! содержания в углях серы;
минералого-петрографический анализ для определен] состава минеральных примесей в углях; —
- математическую статистику и теорию вероятности, д
разработки алгоритмов оценки информативности элементов-индикатор<
и прогноза мелкоамплитудных нарушений;
- метод адаптации для корректировки интервалов опробован:
углей.
Научные положеная, защищаемые автором:
- ряд тяжелых металлов (Ті, Zr, Со и др.) концентрируется воли
разрывных нарушений, формируя положительные геохимическ
аномалии, и, следовательно, последние могут служить элементам
индикаторами тектонических нарушений;
- закономерности распределения тяжелых металлов в зон
тектонической нарушенности угольных пластов, а также зависимое
между изменениями содержаний в зонах тектонических нарушен
элементов-индикаторов и элементов-комплексообразователей (алюмиш
кремний, магний, натрий, сера и некоторые другие), служат обосновали
эндогенной природы геохимических аномалий и свидетельствуют
привнесе металлов под воздействие повышенных температуры
давления в составе комплексных соединений (флюидов) по проницаем!
зонам в горном массиве и накоплении их, при благоприятных физю
химических условиях, вблизи тектонических нарушений;
интенсивность проявления геохимических аномалий (г/т), разованных элементами-индикаторами (тяжелыми металлами), холится в эмпирической зависимости от морфологических (тип и гплитуда) и литологаческих (проницаемость углевмещающих пород) раметров нарушения и косвенно характеризует условия миграции;
использование показателей и реализация алгоритма оценки гформативности элементов-индикаторов тектонических нарушений ізволяет осуществить их ранжирование и выбрать ограниченный речень;
ранг информативности металлов-индикаторов зависит от режима іграции, горно-геологических условий угольного района и ффологаческих параметров тектонических нарушений
алгоритм прогноза мелкоамплитудных тектонических нарушений і геохимическим аномалиям позволяет достоверно прогнозировать личие разрывных нарушений, а также выявлять ложные аномалии.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и комендаций подтверждается:
достаточной точностью применяемых для определения держания в углях элементов-примесей приборов (спектрограф ИСП-30 микрофотометр МД-100);
непротиворечивостью полученных результатов о составе охимических аномалий участков тектонической нарушенности олыгых пластов геологическим представлениям о природе миграции желых металлов;
установленным достоверным диапазоном физико-химических повий для миграции металлоорганических соединений в горном іссиве и накоплении вблизи нарушений;
- необходимым объемом результатов шахтных и аналитическ
исследований, проведенных по тектонически нарушенным участк,
пластов 78 н.п. - шахты "Нагорная" и 6 - шахты "Аларда" (более 1
проб);
- достаточной для практики сходимостью результат
статистической обработки шахтных исследований и физико-химическс
анализа для прогноза иедкоамплитудных тектонических нарушен
(достоверность > 0,9).
Научная новизна работы заключается:
во впервые установленном ряде тяжелых металлов (Ті, Zr, ( Ge, Y), образующих геохимические аномалии в зонах текгоническ нарушенное угольных пластов и, вследствие этого, яатяющимв элементами-индикаторами разрывных нарушений;
в обосновании эндогенной природы геохимических аномалш в теоретическом определении физико-химических условий и фо переноса тяжелых металлов в тектонически нарушенные участ угольных пластов.
в установлении ранее неизвестной эмпирической зависимое между морфологическими, литологическими параметрами нарушения интенсивностью проявления геохимических аномалий (г/т), образуемі элементами-индикаторами разрывных нарушений;
в разработке принципиально нового метода прогнозирован мелкоамплитудных тектонических нарушений по аномально содержанию в углях металлов-индикаторов;
в обосновании критериев и разработке специальнс алгоритма оценки информативности элементов-индикатор тектонической нарушенное угольных пластов;
- во впервые разработанном алгоритме .. для прогноза
коампліпудньїх тектонических нарушений угольных пластов по
чальным содержаниям элементов-индикаторов.
Лнппыз вклад автора состоит:
- в выявлении ряда тяжелых металлов (Ті, Zr, Со, Ge, Y),
пощихся элементами-индикаторами разрывных нарушений угольных
стов;
- в обосновании эндогенной природы геохимических аномалий и
пределении физико-химических условий и форм переноса тяжелых
аллов в зоны тектонических нарушений угольных пластов;
- в установлении эмпирической зависимости между
іфологическими, литологическими параметрами нарушения и
енсивяостью проявления геохимических аномалий (г/т),
азованных элементами индикаторами;
в разработке метода прогнозирования мелкоамплитудных тонических нарушений по аномальному содержанию в углях металлов-[икаторов;
в обосновании критериев и разработке алгоритма оценки юрмативности элементов-индикаторов тектонической нарушенности пьных пластов;
в разработке алгоритма прогноза мелкоамшштудных тонических нарушений угольных пластов по аномальным содержаниям аллов-индикаторов;
- в разработке рекомендаций по эффективному применению
ода прогноза мелкоамплитудных тектонических нарушений на
льных шахтах.
Практическое значение работы заключается в том, ' результаты выполненных исследований позволяют:
прогнозировать мелкоамплитудные тектонические нарушеї угольных пластов, а также их морфологаческие и литологичесі параметры, на этапах проходческих и очистных работ;
определять пространственные координаты тектоничесі нарушений при проектировании и отработке соседних лав;
использовать полученные результаты для повьщіеі безопасности и технико-экономических показателей угледобычи,
- уточнять содержание в углях химических элемент
являющимися полезными или вредными примесями.
Реализаций работы Результаты работы приняты к использован АОУК "Кузнецкуголь" для прогноза мелкоамплитудных тектоничесі нарушений в Байдаевском и Кондомском угольных районов К Кузбасса, а также применяются при курсовом и дипломи проектировании студентов кафедр РПМ и геологии и геодезии в СибТИ
Апробация работы. Основные положения диссертации результаты исследований докладывались на первом Международн симпозиуме "Молодежь и проблемы геологии" 9-14 декабря 1996 г. Томск), четвертой Международной научно-практической коиферсні "Перспективы развития горнодобывающей промышленности" 14-15 і 1997 г. (г. Новокузнецк), второй Международной конференг "Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождег полезных ископаемых" 11-12 ноября 1997 г. (г.Новокузнег Международной конференции "Проблемы геологии и географии Сиби] 1-4 апреля 1998 г. (г. Томск), объединенном научно-методическ семинаре кафедр РПМ и геологии и геодезии СибГИУ 3 сентября 1998 і
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных йот.
Обьем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, ключения, изложенных на 150 страницах машинописного текста, держит 8 таблиц, 46 рисунков, список литературы из 84 наименований,
Анализ методов прогноза мелкоамплитудной тектонической нарушенности, применяемых при отработке угольных пластов
Вследствие того, что мелкоамплитудные тектонические нарушения оказывают значительное воздействие на метанообильность и другие опасные газо- и геодинамические явления в горных выработках, они являются одним из основных параметров метановыделения, а их прогноз крайне необходим для ритмичной работы в подготовительных и очистных выработках, а также для предотвращения серьезных аварийных ситуаций.
Выявление и прослеживание крупных и средних по размерам складчатых и разрывных структур и зон тектонической нарушенное производится в процессе геолого-разведочных работ, с использованием аэро- и космофотоматериалов [60], метода геодинамического районйрования, а также различных геофизических методов.
Прогноз мелкоамплитудных нарушений наиболее актуален при эксплуатационных работах. Они наиболее широко распространены в пределах выемочного участка, часто фиксируются лишь при очистных работав и являются основным фактором горно-геологических условий, при подземной разработке угольных пластов.
Методика прогнозирования наиболее мелких разновидностей разрывных нарушений второго (горизонтного) порядка с амплитудой менее 10-15 м, включает оконтуривание на пластовом гипсометрическом плане участков, где они, вероятно распространены и будут помехой при эксплуатации, предсказание их морфологического типа, направления преимущественного простирания, интенсивности проявления и оценку горно-геологических возможностей разработки нарушенного угольного пласта.
Исходным материалом дня прогноза мелкоамплитудных нарушений служат данные тектонических исследований, выполняемых при геолого-физической документации скважин и разведочных горных выработок, а также результаты скважинных и наземных геофизических работ. Для построения прогнозной модели маикоамплитудных тектонических нарушений применяется комплексирование следующих методов -аналогии, геофизических и тектонофизических, так как ни один из них не является доминирующим.
Метод аналогии основан на структурном сходстве разведуемого участка с уже изученным. Полагая, что в подобных случаях всегда существует определенное сходство морфологии так же и мелких структурных элементов, производят построение прогнозной модели. Так для Кузнецкого бассейна установлена закономерная связь между мелкоамплитудными разрывными нарушениями и дополнительной складчатостью на крыльях крупных складок (Рис. 4) [29,48, 49].
Необходимо так же отметить, что разрывные нарушения пластов всегда морфологически сходны с формами миниатюрных дисиокаций.
Такое подобие может быть использовано при решении вопроса о доминирующем типе прогнозируемых мелкоамплитудных нарушений и возможной преимущественной их ориентировки. Основным недостатком этого метода является высокая степень допуска подобного морфологического сходства. Поэтому его применение возможно только в комплексе с другими методами прогноза тектоники (геофизическими и текгонофизическим).
Для более точного прогноза необходимо также применение математических методов. Наибольшее распространение в практике горных работ получили графоаналитические и вероятностно-статистические методы прогнозирования мелкоамплитудной нарушенности.
В первом случае анализируются графики, характеризующие изменения трещиноватости в зависимости от расстояния до разрывного нарушения. При этом рассматриваются показатели или густоты трещин (число трещин всех систем, приходящихся на 1 м пласта), или относительной частоты трещиноватости (отношение максимального числа трещин системы к общему числу трещин в точке замера в %). По графикам определяется момент "всплеска" то есть такая точка, после которой происходит резкое увеличение значений показателей. Расстояние от этой точки до разрывного нарушения носит название - зона влияния разрывного нарушения на трещиноватость . По ширине этой зоны и осуществляется прогноз разрывных нарушений впереди горной выработки.
Этот метод разработун Букринским В.А. [7]. Его теоретической базой является представление о едином механизме образование складчатости , разрывных нарушений и трещиноватости. Подобный подход выглядит несколько упрощенным, так как проявление тектонических нарушений в угленосной толще, может иметь вероятно и более сложный. многостадийный характер. Тем не менее, очевидная нагаядность метода позволяет использовать его для прогноза мелкоамплитудной нарушенности, в комплексе с другими методами прогноза.
Прогнозирование мелкоамплитудной тектоники при помощи вероятностно-статистических методов основано на установлении корреляционных связей между отдельными параметрами мелкоамплитудного нарушения и некоторыми характеристиками углевмещающей толщи, которые относительно легко фиксируются в процессе геологоразведочных работ. К таким характеристикам можно отнести морфологические признаки угольного пласта, прочность угля и вмещающих пород, глубину залегания, расстояние до крупного нарушения, мощность и литолопгаеский состав вмещающих пород и некоторые другие. Важным параметром мелкоамплитудной тектоники является нарушенность шахтного поля или его части, выражаемая коэффициентами [35].
Эти коэффициенты и другие параметры мелкоамплитудной тектоники являются предметом прогноза Так например, с помощью корреляционно-регрессионого метода на одном из частк0в восточного Донбасса, были получены следующие результаты. Коэффициент разрывной нарушекности (К) был определён с достоверностью 65 %, зкачение максимальной амплитуды разрывных нарушений с досговерностью 74 %, а средней амплитуды - 77 % [55].
Кроме приведенных выше корреляционных зависимостей, найдены связи длин и амплитуд нарушений с изменением уТла падения пласта, между данной и амплитудой нарушения и некоторыми другими.
Но необходимо отметить, что в большинстве случаев корреляционные зависимости находятся не в комплексе, а методом парной корреляции. Это приводит к ограничениям по точности и применимости результатов.
Геофизические методы широко применяются для выявления и трассирования разрывных нарушений, в том числе малоамплитудных, во всех угольных бассейнах страны. Но в настоящее время нет единой геолого-геофизической классификации разрывных нарушений, которая позволила бы перейти от общего понятия «геофизическая аномалия» (или зона повышенной трещиноватости) к четко определяемым конкретным морфологическим типам разрывных нарушений.
По мнению А.И. Дюкова и И.С. Пружанского возможно диагностирование различных морфологических типов разрывных нарушений горизонтного масштаба на основе совместной интерпретации кривых локальных минимумов силы тяжести, кажущегося удельного электрического сопротивления и низких значений градиента скорости упругой преломленной волны. При моделировании этих данных авторы разработали специальную физико-геологическую классификацию разрывных нарушений, в которой различные их типы выделены по ассоциациям определенных физических свойств пород. Это позволяет выявить морфологический тип разрывного нарушения (сброс, сдвиг, надвиг и т.д.) [22].
Представляет также интерес работа И.Т. Козельского и других о зональном распределении сейсмоакустических свойств пород на крыльях надвигов и сбросов [55]. В настоящее время физические модели, полученные в результате вышеупомянутых исследований, не адаптированы к условиям конкретных угольных бассейнов, методики предлагаемые авторами далеки от промышленного внедрения.
Тектонофизический метод в настоящее время используется во многих угольных бассейнах. В Донецком, Карагандинском и Кузнецком бассейнах предпринимались попытки качественного описания механизмов образования разрывных нарушений и закономерностей их сочетания со складками путем реконструкции направлений действия главных нормальных напряжений (полей тектонических напряжений). Принципы тектонофизики использованы дня генетического разграничивания разрывных нарушений горизонтного масштаба. В шахтной геологии этот метод применяется для прогнозирования трещинно-разрывной тектоники пластов на новых, подготовляемых к эксплуатации, горизонтах шахт.
Аналитические исследования участков разрывных нарушений
Лабораторные исследования заключаются в определении содержания в углях (в отобранных пробах) отдельных тяжелых металлов спектральным полуколичественным анапизом, согласно установленным стандартам [17] и выявлении элементов-индикаторов, образующих повышенные концентрации в зонах тектонической нарушенносги. Применение полуколичественного метода позволяет надежно фиксировать явные аномалии конкретных химических элементов.
Кроме того, для выявления и оценки как возможных сопутствующих компонентов флюидов некоторых химических элементов (таких как М, Са, Na, Si, Al), необходимо определение этих элементов с помощью более точного спектрального количественного анализа. Для подтверждения эндогенного воздействия на тектонически проницаемые зоны угольных пластов глубинных сернистых флюидов, поступавших в виде тиосульфатных и гидросульфидных комплексных соединений, необходимо также проведение химического весового анализа для определения содержания в углях серы общей.
Дальнейшие аналитические исследования предусматривают оценку степени информативности выявленных элементов-индикаторов тектонической нарушенное угольных пластов и их ранжирование по определенным уровням значимости для наиболее эффективных критериев согласия, а также определение допустимого значения уровня значимости наиболее эффективного критерия (рис. 14).
Степень информативности элементов-индикаторов предполагается определить путем сравнения значимости различия [34]:
а) средних (по нормальному 2-критерию);
б) дисперсий (по Р-критерию Фишера).
Определение средних значений содержаний элементов-индикаторов (тяжелых металлов) производится по формуле.
Проведенные: оценка степени информативности и ранжирование по уровням значимости эффективных критериев элементов-индикаторов тектонической нарушенное угольных пластов, позволяют провести разграничение геологически однородных совокупностей. Определение степени вероятности проявления наиболее информативных элементов-индикаторов дает возможность произвести разделение прогнозного массива на подмассивы (по принципу: есть нарушение или нет нарушения). При этом используется значение суммарной степени вероятности этих элементов-индикаторов (рис. 13). Изучение характера распределения элементов-индикаторов в зонах разрывных нарушений позволяет рекомендовать максимально допустимый шаг опробования при дальнейших исследований.
Таким образом, вышеперечисленные операции, проводимые на обучающей выборке, позволяют прогнозировать мелкоамплитудные дизъюнктивы (разрывные нарушения) на участках, имеющих сложное тектоническое строение и опасных в газо- и геодинамическом отношении.
Аналитические исследования завершаются построением и анализом прогнозных карт, а также другой горно-геологической документации для оценки эффективности предлагаемой методики прогнозирования мелкоамплитудных тектонических нарушений угольных пластов по определению содержания в углях элементов-инддкаторов (тяжелых металлов).
Характерные особенности распределения некоторых тяжелых металлов в участках тектонических нарушений угольных пластов
При отработке угольных пластов в таком, тектонически сложном, угольном бассейне как Кузбасс актуальна проблема достоверного прогноза слабодиагностируемых мелкоамплитудных тектонических нарушений, осложняющих газовую и геодинамическую обстановку в выработках, а также дестабилизирующих ритмичность очистных и подготовительных работ.
Мелкоамгшитудные тектонические . нарушения практически не вскрываются в процессе геолого-разведочных работ. Применяемые методы предварительного и текущего прогноза (математические, геофизические, текгонофизические) не всегда могут обеспечить требуемую достоверность данных. Это связано с большим количеством параметров, оказывающих влияние на формирование разрывных нарушений, с трудоемкостью выполнения массовых замеров элементов тектоники и некоторыми ограничениями возможностей самих методов.
Необходимо также отметить, что при использовании различных методик прогноза уделяется мало внимания процессам, связанным с глубинной дегазацией недр, поставляющей потоки флюидов различного состава по проницаемым зонам в тектонически нарушенные участки угольных пластов. Подобные процессы особенно характерны для бассейнов сложного тектонического строения (таких как Кузнецкий), где отмечается сопряженность древних и неотектонических структур [9]. По мнению ряда исследователей [15, 26, 30], при активизации глубинных разломов по ним в тектонически проницаемые участки поступали углерод-водородные, сернистые и другие флюиды, которые привносили туда определенные тяжелые металлы, относящиеся к группе переходных. Эти металлы, накапливавшиеся вблизи дизъюнктивов, можно считать элементами-индикаторами тектонических нарушений.
Идея предполагаемого подхода к прогнозу мелкоамплитудных разрывных нарушений заключается в использовании зон проявления аномалий распределения тяжелых металлов в тектонически нарушенных участках пласта. Выявление совокупности элементов, обладающих наибольшей вариацией распределения в зонах нарушений, позволяет использовать их как индикаторы дизъюнктивов [34].
Для реализации подобного подхода были проведены натурные и аналитические исследования зон нарушений по пласту 6 на шахте Аларда (Южный Кузбасс). Отбор проб проводился в интервалах О, 2, 5, 10, 20, 40, 60, 80 и 100 метров на удаление от нарушения по параллельным подготовительным горным выработкам, то есть был известен морфологический тип нарушений (взбросы) и их амплитуда смещения (1,5 -1,6 м). Содержание исследуемых тяжелых металлов определялось спектральным полуколичественным анализом. Содержание ряда щелочных метамов и некоторых других химических элементов, возможных компонентов флюидов, определялось спектральным количественным анализом, а содержание серы общей химическим анализом (весовым методом).
Полученные данные подтвердили результаты предварительных исследований тектонических нарушений по пласту 78 н.п. на шахте Нагорная (Южный Кузбасс) [73, 74, 75]. Значения содержаний анализируемых химических элементов по пласту 6 (шахта Аларда), в сравнении с мировым фоном в углях, а также с фоновыми значениями по Кузнецкому бассейну, приведены в таблице 4. По поведению в зонах тектонических нарушений тяжелые металлы (переходные элементы) можно условно разбить на 4 группы (рис. 20 - 35).
Элементы первой группы (Ті, Zr, У, Со и Ge) образуют устойчивые положительные аномалии в интервалах О-10 метров от нарушений, далее в интервалах 10-20 метров наблюдаются аномально низкие содержания ("зона выноса"), а затем, в интервалах 20 - 100 метров, металлы присутствуют в содержаниях близких к средним. Причем, у У, Со ц Ge эти содержания в экранируемом крыле дизъюнктива ниже, чем в проницаемом, что подтверждает предположение о поступлении в тектонически нарушенные зоны угольных пластов эндогенных (глубинных) флюидов.
Элементы второй группы (Zn и Sr) образуют незначительно повышенные концентрации в интервалах О-10 метров, затем в интервалах 10-20 метров наблюдается "зона выноса", а в интервалах 20-100 метров содержания этих элементов значительно увеличиваются. Это может объяснятся высоким содержанием цинка и стронция в исходных углях и, относительно незначительным поступлением в составе флюидов, то есть, эти металлы образуют в целом отрицательные аномалии.
Элементы третьей .группы представлены Си, РЬ, Мп, Мо и Ni. Они дают отдельные положительные пики содержаний в интервалах О - 10 метров от нарушений, но могут образовывать подобные аномалии и в других участках угольного пласта, то есть не имеют устойчивого и определенного характера распределения. Следовательно, эти элементы могли присутствовать и в исходных углях и в составе привносимых флюидов. Вероятностный характер распределения не позволяет использовать их в качестве индикаторов тектонических нарушений.
Элементы .четвертой группы (Ag и Сг) присугствуют в относительно выдержанных концентрациях на всем протяжении угольного пласта, что может свидетельствовать о незначительном поступлении этих металлов извне. Они также не могут быть индикаторами разрывных нарушений.
Необходимо также отметить, что в зоне нарушения, ограниченного более проницаемыми углевмещшощими породами (песчаниками и милонитами) аномалии смещены в сторону проницаемого крыла дизъюнктйва на 5-10 метров (ш. Нагорная - рис. 5 -12).
Анализ содержаний Na, Mg, Si, А1 показал, что наблюдается определенная корреляционная зависимость между изменениями содержаний щелочных и щелочноземельных металлов N0, Mg а также Si, А1 и элементов первой группы, являющихся индикаторами разрывных нарушений (рис. 36 -41). Это может служить подтверждением совместного поступления этих химических элементов в составе флюидов в текгонически нарушенные участки угольных пластов.
Кальций коррелируется с элементами-индикаторами в меньшей степени (рис. 36 - 37). Вероятно, в большей своей массе, он поступал позже или образовывался на месте, за счет привнесенного эндогенного углерода и углекислоты. В углях часто наблюдаются вторичные прожилки кальцита. Результаты химического анализа серы показали, что ее содержание значительно выше в проницаемом крыле дизъюнктива, чем в экранируемом (рис. 40 - 41). Это может являться подтверждением привноса именно сернистых флюидов. Данные о содержаниях Al, Mg, Na, Са, Si, и 8 по пласту 6 шахта Аларда (Южный Кузбасс) приведены в таблице 5.
Таким образом, полученные результаты могут служить подтверждением гипотезы о привносе эндогенных (гаубинных) флюидов в зоны тектонических нарушений угольных пластов, а выявленные элементы-индикаторы разрывных нарушений могут быть использованы дня разработки методики прогноза мелкоамплитудных нарушений по проявлениям аномально высоких содержаний совокупности определенных тяжелых металлов, обладающих наибольшей вариацией распределения в участках тектонических нарушений.
Применение разработанного метода текущего прогноза разрывных нарушений при проведении подготовительных выработок по пласту 6
Для оценки эффективности предлагаемого метода и для разработки рекомендаций по его применению, при отработке лавы 6-1-9 по пласту 6 на шахте Аларда, проведены опытно-методические испытания по прогнозированию мелкоамплитудных разрывных нарушений путем оценки содержанию в углях элементов-индикаторов (тяжелых металлов).
Пласт 6 входит в состав усятской свиты (Ptus) (Рис. 46). В настоящее время он отрабатывается на глубине 350 - 400 метров от поверхности, имеет выдержанную общую мощность (7 - 8 м). Угли, слагающие рабочие пачки пласта, представлены марками КС и ТС. Природная газоносность углей 14 - 15 м /т. Ниже гпубины 300 м пласт отнесен к угрожаемым по внезапным выбросам угля и газа. Вкрест простирания он осложнен серией параллельных разрывных нарушений (взбросов), с амплитудами от 1 до 4 м. Таким образом, при проходке лавы 6-1-9, актуален прогноз мелкоамплитудных тектонических нарушений.
Для проведения опытно-методических испытаний использованы результаты геохимических исследований по двум нарушениям (взбросам) по пласту 6, которые подробно рассмотрены в предыдущем разделе (Рис. 20 -35, табл. 4 - 5). Полученные данные сведены в таблице 6. Исходя из общей схемы предлагаемой методики прогнозирования мелкоамплитудной тектонической нарушенности (Рис. 13) были проведены следующие виды работ.
Согласно разработанному алгоритму (Рис. 14), проведена оценка информативности выявленных элементов-индикаторов, то есть тяжелых металлов условно названной первой группы. Классификация тяжелых металлов по поведению в участках тектонических нарушений также приведена в предыдущей главе.
Расчет ах и а2 по содержаниям Ge для нарушения 1 и 2, с использованием формул 1,6 -1,9, выглядит cледующим образом.
Таким образом, уровень значимости по Z-критерию равен (в среднем) 0,24, а по F-критерию (критерию Фишера) - на порядок ниже . В такой же степени критерий Фишера эффективнее Z-критерия, В таблице 7 приведены средние значения Z» и F- критериев, анализируемых тяжелых металлов.
Ранжируя данные тяжелые металлы по их информативности как элементы-индикаторы тектонической нарушенносги (в порядке убывания), получаем: Ge-»Y-»Zr- Ti - Со,
Полученный результат можно объяснить большим вхождением титана и кобальта в различные сингенетические и. -эиигенстичеекие соединения, особенно сульфидные.
Затем, переходим непосредственно к прогнозу тектонических нарушений, используя разработанный алгоритм (Рис. 15). Участки нарушений 1 и 2 по пласту 6 являются одновременно и обучающими и прогнозными выборками, а сходимость полученных по ним данных является лучшим критерием достоверности предшагаемого алгоритма прогноза. Результаты оценки информативности элементов-индикаторов позволяют использовать наиболее информативные в этом отношении тяжелые металлы.
Выбираем первые три из проанатизированных химических элемента -германий, итрий и цирконий (табл.4 и Рис. 20 - 25).
Для каждого из выбранных элементов-индикаторов, используя ранее полученные данные, по формулам 1,6 и 1,7 определяем среднее значение м среднеквадратичное отклонение.
Для первого нарушения получаем: Хо. = 0,11; 5в. = 0,11; Ху = 0,22; 8т = 0,12; Ха= 779; 8 = 96. Для второго нарушения: X о« - 0,П; 5 о. = 0,П; Ху = 0,22; 6V - 0,09; Xа - 125; S а = 109.
Для аномальных участков (хі г х ) определяем среднее содержание каждого элемента-индикатора (Хн) по формуле 1,6. По первому нарушению выделяются два аномальных участка с х соответственно для германия - 0,23 и 0,07; для иттрия 0,28 и 0,1; для циркония - 247 и 190. По второму нарушению также можно выделить два участка с Хн для германия - 0,3 и 0,06; для иттрия - 0,28 и 0,28; для циркония - 260 и 115.
Затем по формуле 1,9 вычисляем вероятность повышенного проявления каждого элемента индикатора. Для первого нарушения получаем вероятность в аномальных участках для германия 0,86 и 0,36; для иттрия 0,66 и 0,14; для циркония 0,7 и 0,54 (табл. 8). Суммарная вероятность элементов-индикаторов в первом спучае будет равна - 0,74, а во втором - 0,34. Согласно принятому правилу (Е Р 0,7) в первом случае мы имеем дело с настоящим нарушением, а во втором ( 2 Pi 0,7) с ложной аномалией.
Для второго нарушения получаем вероятность в аномальных участках для германия - 0,96 и 0,33; для иттрия 0,75 и 0,75; для циркония 0,89 и 0046. Суммарная вероятность в первом случае равняется - 0,87, а во втором - 0,51. То есть, мы также имеем дело соответственно с нарушением и аномальным участком.
Поскольку в данном случае мы имеем дело с обучающей выборкой можно легко интерпретировать полученные результаты. Первый участок в зоне нарушений 1 и 2 действительно соответствует самим нарушениям, а другой аномальный участок расположен в обоих случаях в проницаемом крыле нарушения и его проявление может объясняться переотложением ранее привнесенных элементов, причем аномалии здесь будут расплывчатые и менее интенсивными.
Таким образом, проведенные опытно-методические испытания по лаве 6-199 (пласт 6, шахта Апарда) показали, что предлагаемый метод прогноза мелкоамплитудной тектонической нарушенности угольных пластов позволяет достаточно уверенно определять настоящие разрывные нарушения.