Содержание к диссертации
Введение
1. Геотектоническая позиция восточного донбасса и краткие сведения о его геологическом строении 11
1.1. Положение Восточного Донбасса в региональных геологических структурах 11
1.2. Основные черты геологии и угленосности Восточного Донбасса 13
2. Методы изучения и моделирование малоамплитудной тектоники угольных месторождений восточного донбасса 29
2.1. Методы изучения и структурной документации керна углеразведочных скважин 30
2.1.1. Способ газовой дефектоскопии керна 30
2.1.2. Метод определения азимута падения пласта по измерениям в керне вертикальной скважины 32
2.1.3. Метод определения азимута и угла падения пласта по измерениям в керне близко расположенных наклонных скважин 33
2.1.4. Определение ориентировки трещин по измерениям в керне наклонных и искривленных скважин 34
2.2. Моделирование малоамплитудной тектоники 35
2.2.1. Модели малоамплитудных разрывных нарушений, построенные на основе анализа мощностей стратиграфических интервалов 36
2.2.2. Прогнозная оценка действительного числа разрывных нарушений по числу фактически выявленных разведочной сетью на основе вероятностной модели 43
2.2.3. Кинематические модели смещения крыльев тектонического разрыва, построенные по морфологии сместителя 49
3. Морфогенетический анализ малоамплитудных структурных форм угольных пластов и вмещающих пород донецкого бассейна 59
3.1. Малоамплитудные нарушения в номенклатуре структурных форм...59
3.2. Морфогенетический анализ малоамплитудных элементарных структурных форм 65
3.2.1. Пликативные дислокации 67
3.2.2. Разрывные смещения 75
3.2.3. Проявление разрывных смещений в геофизических полях 95
3.2.4. Закономерности ориентировки разрывных смещений 95
3.3. Морфогенетический анализ внутрипластовых малоамплитудных тектонических нарушений 105
3.3.1. Трещины 106
3.3.2. Внутрипластовые нарушения послойного или пологосекущего сдвига 117
3.3.3. Пластовые нарушения секущего сдвига 120
3.3.4. Нарушения квазипластического перераспределения угольного вещества 122
3.3.5. Пластовые нарушения хрупкого разрушения 124
4. Прогнозирование малоамплитудной тектонической нарушенности шахтных полей по материалам геологоразведочных работ 127
4.1. Локальный крупномасштабный прогноз структуры 120
4.2. Текущий прогноз горно-геологических условий отработки 132
Заключение 148
Список использованной литературы 154
- Основные черты геологии и угленосности Восточного Донбасса
- Модели малоамплитудных разрывных нарушений, построенные на основе анализа мощностей стратиграфических интервалов
- Морфогенетический анализ малоамплитудных элементарных структурных форм
- Текущий прогноз горно-геологических условий отработки
Введение к работе
Актуальность работы. Прогнозируемое на ближайшие десятилетия снижение мировой добычи нефти и природного газа приводит к повышению роли угля в энергетическом балансе и, как следствие, к возрастанию потребности промышленности в его детально изученных и подготовленных к эксплуатации запасах. Закономерен в этой связи интерес инвесторов к Восточному Донбассу как поставщику высококачественных антрацитов для удовлетворения текущих и потенциальных энергетических потребностей России и на экспорт.
При выборе объектов эксплуатации необходимо получение информации об условиях залегания угольных залежей, их разрывной и складчатой нарушенности. Несвоевременный учет этого фактора, особенно – выявляемой обычно с запозданием – разрывной тектонической нарушенности малой амплитуды, приводит к снижению эффективности эксплуатации, потере запасов, а иногда и к закрытию шахт.
Проблема повышения полноты и достоверности выявления малоамплитудной разрывной тектонической нарушенности сохраняет свою актуальность не только на стадии разведки, но и в процессе эксплуатации. Реально достигнутая разрешающая способность традиционных технических средств выявления разрывных нарушений составляет 5-10 и более метров по их вертикальной амплитуде, что совершенно недостаточно для обеспечения потребностей организации современной угледобычи. Научное обоснование решения вопроса развито всё ещё недостаточно.
В то же время, по общему мнению, имеются значительные резервы для решения этой задачи на основе выявления и использования закономерностей проявлений и взаимосвязи элементов малоамплитудной тектоники. Этому вопросу только в последней четверти минувшего столетия посвящены исследования В.А. Букринского, И.Н.Власова, В.Е. Забигайло, И.А. Очеретенко, В.В. Попова, В.Ф. Твердохлебова, В.В.Трощенко и многих других. Этими учёными и их многочисленными последователями выявлен ряд закономерностей генезиса и распространения малоамлитудных разрывных тектонических нарушений и характера их влияния на условия эксплуатации, разработаны технологии их разведки и прогнозирования. Однако степень решенности вопроса остается неудовлетворительной.
Настоящая диссертационная работа посвящена усовершенствованию имеющейся научно-методической базы решения проблемы на основе обобщения информации о закономерностях проявления и влиянии малоамплитудной разрывной тектонической нарушенности на условия разработки угольных пластов с использованием массива данных, накопленных в регионе Донбасса и, в частности, восточной его части, по состоянию на 2008 г.
Помимо решения чисто прикладных задач, расшифровка условий проявления малоамплитудной тектоники Восточного Донбасса будет способствовать выявлению фундаментальных аспектов геологии, в частности, других угольных месторождений, где эти вопросы стоят столь же остро.
Цель работы – анализ формы, пространственных взаимоотношений элементов структуры, кинематики и динамики их образования, выявление закономерностей проявления малоамплитудной тектонической нарушенности и её влияния на локализацию благоприятных и неблагоприятных для эксплуатации участков угольных пластов, совершенствование методов изучения и моделирования тектонической структуры угольных месторождений в процессе их разведки и освоения.
Задачи исследований:
1. Сбор, анализ, обобщение данных и представлений о тектонической структуре бассейна и влиянии малоамплитудной тектонической нарушенности на эффективность горных работ.
2. Совершенствование методов получения первичной информации о залегании горных пород и их разрывной нарушенности, её обработки и интерпретации.
3. Уточнение общих особенностей тектонического строения Восточного Донбасса, установление взаимоотношений между тектоникой кристаллического фундамента, палеозойского структурного этажа и мезозой-кайнозойского чехла.
4. Выявление генетических связей между пликативными и дизъюнктивными дислокациями угленосной толщи Восточного Донбасса.
5. Определение влияния малоамплитудной тектонической нарушенности на степень благоприятности для эксплуатации участков угольных залежей.
6. Разработка практических рекомендаций по выявлению и прогнозированию малоамплитудных нарушений и общей нарушенности в процессе разведки и освоения угольных месторождений.
Фактический материал и методика исследований. Исходный материал для диссертационной работы собран автором за период работы в отделе геологии, нефтегазовых и водных ресурсов Южного научного центра РАН в 2004-2008 гг. Использованы также результаты натурных исследований тектоники Донецкого и других угольных бассейнов, проводившихся с участием автора в ДонбассНИЛ-ВНИГРИуголь. Использована геолого-маркшейдерская документация по 24 шахтам Донбасса. По 13 шахтам Восточного Донбасса проведена при непосредственном участии автора геологическая документация горных выработок и керна скважин.
Методы исследований включают сбор натурных данных в полевых и шахтных условиях. Для решения поставленных задач использованы специально разработанные методики геолого-структурных наблюдений и интерпретации их результатов. К ним, в первую очередь, относится методика структурно-тектонического анализа горизонтальных срезов складчато-разрывной структуры на двух гипсометрических уровнях (– 200 и – 800 м) с использованием подземного крупномасштабного геокартирования, а также дистанционных методов исследований. Также разработаны методы определения истинных элементов залегания слоёв по измеренным в керне скважин и восстановления истинной ориентации трещин по данным измерений в керне.
Научная новизна работы заключается в следующем:
уточнены особенности тектонических структур Восточного Донбасса и сценарии их формирования на микро-, мезо- и макроуровне.
выявлено типологическое сходство пространственной конфигурации сместителей разрывных нарушений различных видов в причинной связи с их генезисом.
развиты научные основы методов изучения и прогнозирования тектонической нарушенности угленосных массивов и выбора схемы разработки в условиях дефицита информации о структуре угольных залежей и вмещающего массива.
Практическая значимость. Разработан и усовершенствован комплекс методов выявления, изучения и прогнозирования в ходе геологоразведочного процесса малоамплитудной тектонической нарушенности угольных месторождений и ее влияния на технологию разведки и эффективность эксплуатации угольных залежей.
Разработаны методические рекомендации по изучению тектонической нарушенности и кернометрии в углеразведочных скважинах, а также защищённые авторскими свидетельствами «Способ дефектоскопии горных пород» и «Способ оконтуривания приповерхностных подземных неоднородностей».
Основные выводы и положения диссертации внедрены в производство и использованы в ходе поисково-оценочных и разведочных работ на угольных месторождениях, при проектировании, строительстве и обеспечении функционирования угледобывающих предприятий. Методические рекомендации по изучению тектонической нарушенности и кернометрии в углеразведочных скважинах использованы в ходе разведочных работ на уголь. Результаты исследований могут использоваться при выборе наиболее перспективных объектов и планировании поисково-оценочных и разведочных работ на угольных месторождениях.
Основные защищаемые положения.
1. Разработан и апробирован для стадии разведки комплекс методов прогнозирования, выявления и количественной оценки малоамплитудной тектонической нарушенности угольных пластов Восточного Донбасса, включающий оригинальные способы получения первичной геологической информации и её обработки.
2. Установленный характер малоамплитудной тектонической нарушенности горно-породного массива определяет вещественно-структурные особенности шахтных полей, технологию вскрытия и условия отработки угольных пластов Восточного Донбасса.
3. Показано, что наиболее сложнодислоцированные участки шахтных полей приурочены к зонам кулисообразной складчатости, сформированным под воздействием горизонтальных смещений по разломам кристаллического фундамента.
4. Предложены критерии количественной оценки сложности горно-геологических условий отработки шахтных полей Восточного Донбасса по фактору малоамплитудной тектонической нарушенности угольных пластов.
Апробация работы. Результаты и основные положения работы регулярно докладывались на III, VII, VIII, X, XI Всесоюзных и Всероссийских угольных совещаниях (1976-2005), V Международной научной конференции «Проблемы геологии, геоэкологии и минерагении Юга России и Кавказа» (2006), Международной конференции «Проблемы геологии и освоения недр юга России» (2006), «Геодинамические и генетические модели рудных месторождений» (2007), региональном научно-практическом семинаре «Перспективные технологии добычи и использования углей Донбасса» (2009), VII Международной научно-практической конференции «Проблемы геологии, планетологии, геоэкологии и рационального природопользования» (2009), VIII Международной научно-практической конференции «Международные и отечественные технологии освоения природных минеральных ресурсов и глобальной энергии» (2009) и других научных форумах.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 36 научных работ, в том числе 8 статей в реферируемых журналах из перечня ВАК и 2 монографии, 2 изобретения защищены авторскими свидетельствами.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения, изложена на 160 страницах, включает 39 рисунков и список литературы из 126 наименований.
Основные черты геологии и угленосности Восточного Донбасса
В основу тектонического районирования Донецкого бассейна положено строение складчато-разрывных дислокаций основного, герцинского структурного этажа. Здесь, вслед за B.C. Поповым (1963, 1964), были выделены следующие структурные зоны, различающиеся по морфологии и размерам складок (рисунок 1.2.): 1. Центральная зона крупных линейных складок; 2. Восточная зона полной складчатости; 3. Северная линейная антиклинальная зона; 4. Обособленные брахисинклинали; 5. Северная межнадвиговая зона; 6. Южный грабен; 7. Зона поперечных флексур; 8. Западные стабильные депрессии. На территории Восточного Донбасса присутствуют все перечисленные структурные зоны за исключением двух последних. По данным авторов 46 тома труда «Геология СССР» (1970), допалеозойские магматические и метаморфические образования, составляющие кристаллический фундамент всех структурных элементов Восточного Донбасса, и покрывающие их вулканогенно-осадочные породы девона на поверхность нигде не выходят, как и пермские отложения, известные на северо-востоке только по данным малочисленных скважин.
Палеозойские образования представлены осадочной толщей карбона, выходящей на поверхность на водоразделе Северский Донец — нижний Дон и залегающей под чехлом более молодых отложений на более обширных пространствах.
Каменноугольные отложения представлены двумя типами разреза. К югу от субширотной линии, проходящей в нескольких километрах севернее населенных пунктов Каменск-Шахтинский и Шолоховский (Каменский надвиг), в Донецком прогибе это угленосная толща геосинклинального типа с большой мощностью осадков, многократным переслаиванием морских и континентальных отложений, полнотой и выдержанностью разреза, с многочисленными пластами известняков, угольными пластами и пропластками. К северу от упомянутой линии, на южном склоне Воронежской антеклизы (Старобельско-Миллеровская моноклиналь) каменноугольная толща ближе к платформенному типу с резко сокращенным содержанием континентальных фаций и пониженной угленосностью при сохранении морских интервалов, в том числе известняков, и малой общей мощностью отложений, убывающей в северном направлении. В результате к северу в разрезе карбона увеличивается содержание карбонатных, а также морских глинистых и алевритовых отложений, а угленосность незначительна (Геология угольных..., 1963).
Наиболее древними палеозойскими породами, выходящими на дневную поверхность и под чехол рыхлых делювиальных отложений, являются карбонатно-терригенные породы визейского и серпуховского ярусов нижнего карбона, выходы которых отмечены в долинах малых рек Миус, Тузлов и Крепкая юго-западнее г. Новошахтинск. Незначительные по площади выходы отложений нижнего карбона зафиксированы также на левом берегу р. Дон у ст. Казанская на севере Ростовской области. Согласно местной донбасской стратиграфической шкале, визейский и серпуховский ярусы охватывают горизонты от верхней части свиты С\(А) до свиты С5Х{Е). Нижние горизонты визейского яруса до известняка В\ представлены карбонатной толщей -известняками и доломитами, выше залегают обычные для Донбасса алевролиты, аргиллиты и песчаники с пластами известняков и неустойчивыми пропластками и линзами углей.
Выходы складчатых отложений среднего и верхнего карбона, представляющих основную угленосную толщу Восточного Донбасса, слагают ядро мезозойско-кайнозойской антеклизы, известное в геологической литературе под названием «открытый Донбасс» или «Донецкий кряж» и занимающее площадь, ограниченную с севера линией Донецк (Ростовский) -Каменск-Шахтинский - Горняцкий - Шолоховский, с востока - левобережьем рек Быстрая и Северский Донец, с юга — линией Соколово-Кундрюченский -Красный Сулин и далее по правобережью р. Кундрючья до ее устья, а на западе выходящую за пределы Ростовской области.
Южнее р. Кундрючья ограниченные выходы угленосного карбона наблюдаются в эрозионных окнах долин рек Миус, Тузлов, Крепкая, Б. и М. Несветай, Аюта, Грушевка, Кадамовка, Керчик и Сев. Донец. Под чехлом более молодых осадков отложения карбона имеют гораздо более широкое распространение, занимая всю территорию области кроме части районов, расположенных южнее Сало-Манычского разлома, проходящего по линии Покровское — Новочеркасск — Багаевская и далее на юго-восток вдоль реки Маныч, Веселовского и Пролетарского водохранилищ до восточной границы Ростовской области.
Модели малоамплитудных разрывных нарушений, построенные на основе анализа мощностей стратиграфических интервалов
Известно, что мощности стратиграфических интервалов угленосных толщ, например, междупластовые расстояния, изменяются по площади чаще всего достаточно плавно и постепенно, резкие изменения этой величины свидетельствуют о присутствии разрывных нарушений, пост- или конседиментационных, либо о наличии в разрезе литологических неоднородностей, обусловливающих изменение мощности за счёт неодинаковой способности пород к уплотнению. На этом принципе основывается методика выявления таких нарушений при помощи статистического анализа значений нормальной мощности межпластовых интервалов, полученных по сети разведочных скважин.
Выбор стратиграфических интервалов и разделение исследуемой площади на геологически однородные блоки. Метод разработан применительно к угольным месторождениям пластового типа, преимущественно многопластовым, на которых возможно выделить ясно различимые стратиграфические интервалы, ограниченные надёжно устанавливаемыми маркирующими горизонтами, обычно угольными пластами (Погребнов, Трощенко, 1987, Бударина и др., 1991).
Границами интервалов должны быть маркирующие горизонты, выдержанные по площади участка или, по крайней мере, на большей его части.
На многопластовых месторождениях возможны случаи, когда нормальные расстояния между соседними пластами достаточно малы, и в один интервал могут быть объединены несколько сближенных пластов.
Кроме скважин, не вошедших в данный участок или блок территориально, исключению из статистического анализа подлежат также скважины с заведомо аномальной или неизвестной мощностью данного интервала, что может быть обусловлено такими причинами как увеличение или уменьшение мощности в связи с пересечением известного разрывного нарушения, наличие в данном интервале интрузивных тел (даек, силлов), крутые падения пород при недостаточном количестве замеров этих углов, отсутствие в разрезе скважины одного или обоих маркирующих горизонтов, являющихся границами интервала (в последнем случае отбраковка осуществляется автоматически).
Статистический анализ по каждому интервалу должен проводиться в пределах геологически однородных площадей, характеризующихся стратиграфически однородным объемом и однотипным строением интервала. Исследуемый участок может быть разбит на такие однородные площади, например, по известным более или менее крупным разрывным нарушениям или другим границам, если известно, что состав или строение интервала претерпевают по ним существенные изменения.
Кроме того, в программе обработки данных может быть предусмотрена процедура предварительного анализа соотношения мощностей смежных интервалов, позволяющая выявить неоднородности, связанные с изменениями по площади участка тектонического режима осадконакопления или других факторов, определяющих мощности интервалов, вызванными конседиментационными разрывными нарушениями. Эта процедура состоит в вычислении отношения средних мощностей каждого из интервалов по всей площади участка друг к другу и сравнения с этой величиной значений отношения мощностей тех же интервалов в каждой из скважин, где присутствуют оба интервала. Если отношение средних мощностей Аср, отношение мощностей в /-ой скважине А;; то результат сравнения А; и Аср выразится отношением: или величиной разности D=K-1, характеризующей знак и величину отклонения отношения АІ от средней величины Аср в долях единицы.
Далее на экран монитора выводится масштабированная схема участка, где скважины с положительным значением D отмечаются знаком "+", а с отрицательным - знаком "-", если в них значения D превышают по абсолютной величине задаваемую оператором величину доверительного интервала ±Е. Постепенно увеличивая последний от 0 до величин порядка 0,20-0,25, можно по характеру полученной картины установить наличие или отсутствие границ, по которым исследуемый участок может быть разделен на блоки.
При однородном строении участка плюсы и минусы на экране перемежаются, не образуя компактных скоплений, или группируются в отдельные узкие полосы; четкое деление площади участка на зоны с преобладанием одного из знаков может указывать на блоковое строение участка. Для проверки увеличивают значение Е; если при этом происходит равномерное разрежение знаков по площади каждой зоны, гипотеза о блоковом строении участка считается подтвержденной, граница блоков проводится по линии (обычно прямолинейной или слабо искривленной), разделяющей зоны с противоположными знаками, и граница блоков в дальнейшем рассматривается как прогнозное разрывное нарушение конседиментационного заложения. Если же с увеличением значения доверительного интервала Е увеличивается ширина "пустой" полосы вдоль границы зон, считают, что зональность в распределении знаков при D вызвана плавным изменением величины А на площади участка и не связана с его блоковым строением; в этом случае вся площадь участка считается геологически однородной. Проверка гипотезы о блоковом строении участка может быть выполнена также путем вывода на экран вместо плюсов и минусов числовых значений D по всем пересечениям. При плавном изменении А абсолютная величина D возрастает по мере удаления от границ зон, при блоковом строении участка на всей площади каждого блока значения D приблизительно одинаковы.
При опробовании метода анализа мощностей на конкретных объектах четкое разделение исследуемой площади на конседиментационные блоки по линии предполагаемого конседиментационного сброса обнаружилось лишь на участке Южно-Донбасском № 12-1, на материале которого и была осуществлена доводка соответствующей части программного обеспечения; в Кузнецком бассейне все объекты, на которых производилось опробование метода - поле шахты Томская-Глубокая, блок №4 поля шахты Распадская и участок Талдинский-Западный - оказались однородными по соотношению мощностей интервалов, что свидетельствует об отсутствии здесь конседиментационных разрывов.
Морфогенетический анализ малоамплитудных элементарных структурных форм
Воздействие тектонических сил на анизотропную по физико-механическим свойствам угленосную толщу вызывает не только общее её противодействующее сопротивление, но и местные силы сопротивления (местные тектонические напряжения), сконцентрированные внутри отдельных, литологически обособленных горизонтов (пачек пластов, свит) вследствие различия их геомеханических свойств. Эти местные тектонические напряжения в определённых условиях могут приобретать самостоятельное деформирующее значение, вызывая дисгармоничную дислокацию угленосной толщи -образование тех местных элементарных структурных форм, которые принято объединять общим названием «малоамплитудные пликативные и дизъюнктивные дислокации». Можно отметить, что в Донбассе самостоятельные малоамплитудные складки достаточно редки по сравнению с малоамплитудными разрывами. Чаще всего такие складки являются либо приразрывными пликативными осложнениями у сместителей разрывных нарушений (как малоамплитудных, так и более крупных), либо представляют собой продолжение разрывов в зоне затухания последних, т.е. у края поверхности сместителя.
В общем структурном плане Донецкого бассейна выделяется ряд нерезко выраженных структурных зон, где рисунок складчатости осадочного чехла отражает сдвиговые смещения по разломам фундамента - зоны кулисообразной складчатости. Наиболее известная из таких зон прослеживается в ядре Горловской антиклинали (северо-западного замыкания Главной антиклинали Донбасса), где кулисообразно расположенные небольшие брахиантиклинали или «купола» демонстрируют типичную картину эшелонированной складчатости над разломом с правосторонним сдвиговым смещением крыльев (Осевой разлом). Сама Горловская антиклиналь вместе с расположенной северо-западнее Дружковско-Константиновской антиклиналью также образуют кулисообразный ряд, демонстрирующий изменение направления того же Осевого разлома. На границе Каменско-Гундоровского и Гуково-Зверевского районов прослеживается Лиховская зона кулисообразных складок, выделенная впервые Н.М. Максимовым (1974) и, по всей видимости, приуроченная к ещё одному субширотному разлому с правосторонним сдвиговым смещением крыльев. Эта зона прослеживается и далее на северо-запад, образуя протяженную структуру, названную И.А. Очеретенко Северной линейной антиклинальной зоной. Каскад субмеридиональных флексур Донецко-Макеевского района свидетельствует о смещении Зуевского купола в западном направлении по отношению к структурам, расположенным севернее, что подтверждает наличие правостороннего смещения по Осевому разлому. Кроме того, предполагается наличие значительной правосдвиговой составляющей смещения по некоторым субширотным надвигам северной окраины Донбасса. Так, например, по скважинам, пересекающим Марьевский надвиг в районе Горской антиклинали (Алмазно-Марьевский район), наблюдается значительное различие мощностей свиты С2 на крыльях надвига в одном и. том же поперечном профиле: мощность свиты в висячем южном крыле составляет 245 м., в то время как в лежачем северном всего 185 м. Рациональное объяснение этого факта может быть дано исходя из того, что в этой части бассейна мощности всех свит карбона достаточно быстро нарастают в юго-восточном направлении; и правостороннее сдвиговое смещение по надвигу привело в соприкосновение участки, ранее располагавшиеся на некотором расстоянии друг от друга по простиранию разрыва. До образования надвига участок его северного крыла располагался западнее соответствующего участка южного крыла, чем и объясняется дефицит мощности свиты. На этом основании можно предположить, что сдвиговое смещение по субширотным разломам фундамента происходило (или, по крайней мере, началось) позднее, чем субмеридиональное сжатие, сформировавшее основную линейную складчатость бассейна. Если бы плотность сети скважин, пересекших свиту С2 на обоих крыльях надвига, позволяла построить достаточно подробную карту изопахит свиты, появилась бы возможность установить величину горизонтальной амплитуды смещения по нему, воспользовавшись методом, предложенным проф. А.А. Трофимовым (1980). В общем, можно констатировать, что складчато-разрывная структура Донбасса несёт следы не только общего сжатия в субмеридиональном направлении, но также и общего правостороннего сдвига.
Среди наблюдаемого в Донбассе разнообразия можно выделить четыре морфолого-генетических типа складок: 1) продольного изгиба, сформированные в условиях свободного межслоевого проскальзывания одних слоев относительно других; 2) блокированные; 3) выжимания, возникшие под действием неравномерного тектонического давления, перпендикулярного слоистости; 4) приразрывные, образованные местными деформирующими силами, действующими вдоль тектонического контакта в направлении смещения крыльев разрывных нарушений. Кроме того, к малоамплитудным пликативным дислокациям следует отнести локальные флексуры и пологую волнистость залегания угольных пластов, также создающие иногда серьёзные затруднения в работе угледобывающих предприятий.
Складки местного продольного изгиба. Весьма различные по морфологии, амплитуде и характеру распределения, они составляют самую распространённую группу мелких складок.
Пример типичных дисгармоничных складок данного типа показан на рисунке 3.4. Складки имеют характерное увеличение мощности слоев в замках, которое происходит не только в пластичных аргиллитах и алевролитах, но и в относительно жёстких песчаниках. Они сконцентрированы внутри толщи пород, главным образом в свите С2б, постепенно выглаживаясь в выше- и нижележащих отложениях.
Рассмотренный пример подтверждает представление о дисгармоничных складчатых деформациях как комплексах, которые образуются в результате возникновения и последующей дифференциации внутриформационных полей механических напряжений. Б.В. Смирнов, П.М. Бондаренко и И.В. Лучицкий независимо друг от друга показали путём тектонофизического моделирования, что при наклоне толщи пород более 13 отдельные её литологические горизонты начинают испытывать в одной части зарождающейся складки растяжение (апикальная часть свода антиклинали), а в другой — сжатие (погружённая часть крыла). Вероятно, именно в таких механических условиях и произошло то внутрисвитное движение отдельных пачек пластов, которое привело к самостоятельному смятию - образованию в свите С2 дисгармоничных складок, осложняющих южное крыло Говейной синклинали. Масштаб развития складок данного типа может быть совершенно различным. В определённых условиях, которые до настоящего времени ещё недостаточно полно установлены, дополнительные складки продольного изгиба развиваются в местах резкой ундуляции шарниров крупных антиклиналей. В качестве примера можно назвать комплекс мелких дополнительных складок Ровенецкого поднятия. Резкой дисгармоничной складчатости подвержена толща глинистых и песчано-глинистых пород нижних свит среднекаменноугольного возраста, за пределом площади распространения которых более высокие стратиграфические
Текущий прогноз горно-геологических условий отработки
Текущее прогнозирование горно-геологических условий отработки угольных запасов выполняется с учётом достигнутого уровня развития технологии угледобычи и принятых технических решений.
При этом следует отметить, что повышение уровня механизации угледобычи приводит к ужесточению требований угольной промышленности к тектоническому строению шахтных полей. При применении в качестве выемочной техники отбойных молотков, врубмашин и широкозахватных комбайнов, а также взрывчатых веществ, с индивидуальной крепью, системы разработки угольных пластов были наиболее толерантны как к мощности угольных пластов, так и к углам их падения, а также к степени нарушенности выемочных участков малоамплитудными разрывами. Крутопадающие тонкие угольные пласты отрабатывались потолкоуступными забоями с применением отбойных молотков, мощные крутопадающие пласты — камерно-столбовыми и щитовыми системами, пологие и наклонные пласты - сплошными и столбовыми системами с полным обрушении кровли и с применением врубмашин и широкозахватных угольных комбайнов; при этом малоамплитудные разрывные нарушения с амплитудами, даже превышающими мощность пласта в 2-3 раза, преодолевались очистными забоями без особых осложнений с минимальными объемами работ по пустым породам. Наиболее серьезные осложнения, связанные с малоамплитудной разрывной нарушенностью возникали лишь в тех случаях, когда таким нарушениям сопутствовали зоны раздробленных, неустойчивых боковых пород, сопровождавшиеся крупными вывалами пород кровли, сползанием почвы, прорывами подземных вод и другими неблагоприятными явлениями. Появление высокопроизводительных механизированных добычных комплексов с узкозахватными комбайнами, струговыми установками и гидравлической механизированной крепью привело к значительному повышению требований к разрабатываемым подземным способом угольным месторождениям, поскольку теперь даже небольшие по амплитуде тектонические разрывы стали требовать для своего преодоления дорогостоящих работ по перенарезке лавы и перемонтажу добычного комплекса. Частые переходы даже небольших разрывных нарушений приводят к повышению аварийности оборудования, потерям добычи, потерям угля в брошенных целиках, росту таких отрицательных показателей, как себестоимость угля, его зольность, метраж подготовительных выработок на 1000 т добычи, снижению производительности труда, ухудшению условий безопасности труда, а для особо тонких и крутопадающих пластов механизированные комплексы вообще не разработаны. При мощности пласта 1,3-1,6 м переход разрыва комплексом КМ-87 оказался экономически невыгодным уже при амплитуде смещения более 1 м, т.е. 0,63-0,77 от величины мощности (Шаульский и др., 1976). Особенно неблагоприятные последствия сопровождают неожиданную встречу разрыва очистным забоем, когда отсутствует возможность заблаговременной подготовки новой лавы и вспомогательных выработок для перевода механизмов в новый забой.
Можно отметить своеобразный характер осложнений, вызываемых малоамплитудными разрывами на крутопадающих крыльях складок. Здесь наибольшее влияние оказывают поддвиги и отдвиги. Образовавшись в условиях наиболее интенсивных тектонических напряжений, проявившихся на заключительных этапах складкообразования, поддвиги и отдвиги в более значительной степени, чем сбросы и взбросы, осложнены оперяющей трещиноватостью пород и смятием угольного вещества (см. рисунок 3.14., г). При механизированной выемке тонких угольных пластов переход таких нарушений вызвал бы значительные трудности, однако при распространенном в Донбассе на крутопадающих пластах способе очистной выемки отбойными молотками в большинстве случаев переход поддвигов и отдвигов лавами оказывается возможным. При этом в тех случаях, когда в висячем крыле угольный пласт смещен вверх по восстанию сместителя (см. рисунок 3.14., а), большие трудовые затраты возникают при проведении углеспускных выработок по пустым породам и усиленном креплении выработанного пространства; если же в висячем крыле смещенная часть пласта опущена (см. рисунок 3.14., в, г), то, как правило, неизбежны потери полезного ископаемого в целиках, оставляемых у сместителя разрыва из-за того, что невозможна доставка отбитого угля вниз самотеком.
Часто очистные работы около поддвигов и отдвигов становятся нерентабельными из-за низкой устойчивости кровли, сползания почвы, газодинамических явлений, пережимов угольных пластов до нерабочей мощности (см. рисунок 3.14., е). Поддвиги и отдвиги на крутых крыльях складок часто бывают сближенными, образуя группы и серии, причем в этих группах объединяются как однотипные смещения (см. рисунок 3.14., а, д), так и поддвиги совместно с отдвигами. Часто встречается также сочетание поддвигов и отдвигов с согласно падающими взбросами. Такие группы нарушений представляют наибольшие осложнения в работе угольных шахт.
Исследованиями, проведенными ВНИМИ (Методические указания..., 1972), показано, что для условий каждого углепромышленного района может быть определено по статистическим данным предельное значение коэффициента дизъюнктивной нарушенности (м/га), при превышении которого запасы участка списываются с баланса по условиям тектонической нарушенности. Так, для Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса такое предельное значение составляет 250-300 м/га. Здесь же показано, что при увеличении степени дизъюнктивной нарушенности от 0 до 250-300 м/га участковая себестоимость тонны угля повышается вдвое при снижении производительности труда горнорабочего в такой же степени. Однако практическое применение такой методики для предварительной оценки пригодности участков к выемке сдерживается трудностью прогнозирования степени нарушенности пластов в процессе разведки угольных месторождений.
Внутрипластовые тектонические нарушения почти всегда оказывают отрицательное влияние на эффективность угледобычи. Нарушения секущего сдвига чаще всего локализуются в зоне контакта угольного пласта с породами кровли. Это приводит к формированию «ложной кровли», результатом чего бывает засорение отбитого угля внешней золой и ухудшение несущей способности крепи. Нарушения пологосекущего сдвига, квазипластического перераспределения и хрупкого разрушения угольной массы обычно сопровождаются расштыбованием угля, что является отрицательной качественной характеристикой, особенно для антрацитов. Вызванные этими нарушениями изменения мощности пласта также осложняют ведение угледобычи. Снижение мощности до значений, меньших нижнего предела допустимого диапазона для данного типоразмера добычного комплекса, вынуждает прибегать к присечке пустых пород; раздувы пласта, казалось бы, дают положительный эффект (повышение производительности пласта), но это положение справедливо только в том случае, если мощность пласта не превысила верхнего предела рабочего диапазона комплекса, иначе возникают осложнения, связанные с необходимостью оставления пачки угля в кровле или применения дополнительной крепи, поскольку контакт штатных секций забойной крепи с породами кровли не достигается. Кроме того, такие зоны обычно сопровождаются повышенной трещиноватостью пород кровли. На некоторых шахтопластах Донбасса раздувы мощности встречаются как типичные осложнения, сопровождающие местные пережимы пласта.
Похожие диссертации на Прогнозирование структуры шахтных полей Восточного Донбасса на основе анализа малоамплитудной тектонической нарушенности угольных пластов
