Содержание к диссертации
краткие сведения о южно-якутском угольном бассейне 10
обзор и анализ практики локализации, вскрытия и опробования угольных пластов 21
3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЛОКАЛИЗАЦИИ, ВСКРЫТИЯ И ОПРОБОВАНИЯ
ВЫХОДОВ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ КАК ЕДИНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЦЕПОЧКИ
ДЛЯ УСЛОВИЙ ЮЖНОЙ ЯКУТИИ 36
3.1 Локализация выходов угольных пластов 37
Традиционные неинструментальные методы локализации 39
Инструментальные методы локализации 40
Электроразведка 40
Атмогеохимия 47
fjb 3.1.2.3 Сейсморазведка 49
3.1.2.4 Иные инструментальные методы 51
3.2 Вскрытие выходов угольных пластов 52
Проводка некавернозных скважин с кондиционным выходом керна 54
Варианты вскрытия выходов угольных пластов 64
Общие вопросы опробования выходов угольных пластов 67
Использование методики локализации, вскрытия и опробования выходов угольных пластов в Южной Якутии 72
4. АДАПТАЦИЯ ТРАДИЦИОННЫХ И СОЗДАНИЕ ОРИГИНАЛЬНЫХ МЕТОДОВ
ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКОГО ОПРОБОВАНИЯ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ МОРФОЛОГИИ И
\ ЗОЛЬНОСТИ ВЫХОДОВ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ 76
Общие сведения о применяемом комплексе ядерно-физического опробования.. 76
Оценка влияния химического состава и физических свойств углей и вмещающих пород на достоверность ядерно-физического определения зольности 84
Гамма-гамма опробование селективное 84
Гамма-гамма опробование плотностное 93
Нейтрон-нейтронное опробование. 95
Гамма опробование по естественней радиоактивности 96 \
4.3 Влияние скважинных условий и их учет 96
(Щ 4.3.1 Физическое моделирование влияния каверн на данные ГГО-С и ГГО-М 97
4.3.2 Практика стабилизации влияния промежуточной зоны 99
4.4 Аппаратура, ее особенности и методика измерений 100
Аппаратурное обеспечение 100
Источники излучения 103
Режимы измерений и устройства их обеспечивающие 103
Последовательность операций приЯФО скважин 104
Контроль стабильности аппаратуры 105
4.5 Интерпретация результатов ЯФО..... 108
Работа с массивами данных 109
Аналитический параметр ЯФО (ГГО-С) 109
Эталонирование аппаратуры ПО
Выделение пластов угля и определение их строения 112
Оценка геометрии пласта 113
Оценка зольности пластов и угольных пачек 114
5. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ ОЦЕНКИ И УЧЕТА ПОГРЕШНОСТЕЙ КЕРНОВОГО И
ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКОГО ОПРОБОВАНИЯ УГЛЕЙ В РАМКАХ ПРЕДСТАВЛЯЕМОЙ
МЕТОДИКИ 118
5.1 Керновое ОПРОБОВАНИЕ 118
5.7.7 Опробование керна скважин на выходах угольных пластов 118
5.1.2 Проблемы представительности кернового опробования 120
5.1.3 Систематические погрешности определения зольности по керну 125
Физическое моделирование процессов истирания керна 125
Математическое моделирование процессов истирания керна 727
Ввод поправок в среднепластовые значения зольности 129
5.1.4 Случайные погрешности определения мощности и зольности угольных
пластов по керну 131
Погрешности определения мощности угольных пластов по керну 132
Погрешности определения зольности угольных пластов по керну 134
5.1.5 Погрешности кернового опробования на германий и другие элементы,
обогащающие кровлю угольных пластов 136
5.2 Ядерно-физическое опробование 140
Погрешности определения мощности угольных пластов по ЯФО 140
Погрешности определения зольности угольных пластов по ЯФО 145
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 153
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 154
ПРИЛОЖЕНИЯ 162
Приложение 1 162
Приложение 2 164
Введение к работе
Актуальность работы. На рубеже двадцатого и двадцать первого веков сохраняется достаточно устойчивый международный и региональный спрос на высококачественные коксующиеся и энергетические (окисленные) угли Южной Якутии. Поэтому, несмотря на сложную экономическую ситуацию, существует постоянная потребность в углеразведочных работах на территории Южно-Якутского угольного бассейна (ЮЯУБ).
Основным способом изучения угольных пластов (70-80% затрат на геологоразведку) в бассейне является колонковое бурение скважин с документацией, опробованием и лабораторным анализом керна, сопровождаемое скважинными геофизическими исследованиями. Мощность рыхлых отложений над выходами угольных пластов в ЮЯУБ обычно равна 2-4 метрам, поэтому традиционно (1949-1989 г.г.) выходы угольных пластов вскрывались канавами и опробовались бороздовыми пробами.
Геолого-методические недостатки традиционной канавной технологии, как способа локализации, вскрытия и опробования выходов угольных пластов в ЮЯУБ:
невысокая эффективность использования физических объемов горных работ ввиду не
надежности локализации зон ожидания выходов угольных пластов;
низкий выход достоверных пластосечений угля из-за использования субгоризонтальных разведочных выработок на преимущественно субгоризонтальных разведываемых объектах и из-за плохих условий вскрытия углей в «недобитых», оплывающих и обводненных канавах;
неопределенность метрологии документации и опробования угольных пластов в канавах.
для отбора по пластосечению субкилограммового набора проб выполняется колоссальная «вскрышная» работа по перемещению десятков - сотен тонн горных пород; весовой коэффициент вскрыши превышает 1000; это принципиально нерациональный способ получения результата, не оправдываемый ни дешевизной человеческих и материальных ресурсов, ни существовавшим ранее практически бесплатным природопользованием;
Внеметодические недостатки канавной технологии:
большая техногенная нагрузка на ландшафты при работе основным способом проходки канав - с буро-взрывными работами (БВР) на «выброс», при котором в зоне 30-40 метров вокруг канавы полностью уничтожается растительный и животный мир;
экономически целесообразная проходка канав с БВР требует постоянного и гарантированного фронта работ; в современных условиях получения и исполнения геологоразве-
дочных контрактов это практически не реализуемое условие; проведение взрывных работ на рассредоточенных участках требует экономически затратных мер безопасности, особенно в последние годы, в связи с антитеррористическими мероприятиями; имеются ограничения по использованию БВР близ населенных пунктов и действующих производств;
Недостатки традиционной канавной технологии стимулировали разработку иных вариантов вскрытия выходов угольных пластов в Южной Якутии. Очевидно, что субгоризонтальные угольные пласты проще вскрывать и опробовать субвертикальными горными выработками, например, скважинами. Идею и основные параметры нового способа изучения выходов угольных пластов автор предложил руководству Южно-Якутской геологоразведочной экспедиции (ЮЯГРЭ) и ПГО «Якутскгеология» 1986 году. Суть и процедуры новой методики:
по данным дешифрирования, геоморфологическим, геоботаническим и геофизическим признакам локализуется выход угольного пласта под рыхлые отложения;
локализованный выход угольного пласта опоисковывается мелкой (6-20 метров) скважиной бескернового бурения диаметром 59 мм, по выносу шлама фиксируется наличие либо осутствие углей, скважина обсаживается герметичным стаканом из дюралевых труб ЛБТН-54 для обеспечения гарантированной сквозности и стабилизации влияния промежуточной зоны на ядерно-физические методы опробования (ЯФО);
в скважине выполняется ЯФО для определения мощности и строения вскрытого пласта угля, а также его зольности (А );
при необходимости проходятся вторая и третья скважины, в них выполняется ЯФО, обеспечивающее пространственную геометризацию пласта;
по требованию заказчика осуществляется подъем кондиционного керна в любой из скважин; на отобранных пробах выполняются необходимые лабораторные аналитические исследования.
Эта методика реализована в процессе углеразведки в ЮЯУБ и к настоящему времени вытеснила все иные способы локализации, вскрытия и опробования выходов угольных пластов.
Целью работы является обоснование методики локализации, вскрытия и опробования выходов угольных пластов:
оптимально учитывающей как наработки российских геологов, геофизиков, специалистов по технике разведки в плане скважинных геолого-геофизических способов изучения угольных пластов, так и авторские решения;
ориентированной на конкретные условия изучения окисленных углей в принципе допускающие относительно массовое бескерновое и комбинированное бурение с упором на геофизическое, а не на керновое опробование;
оформленной в рамки единой организационно, методически и экономически эффективной, технологической цепочки. Задачи исследований:
Проанализировать отраслевую и бассейновую практику локализации, вскрытия и опробования угольных пластов. Обобщить сведения о достоверности определения основных кондиционных параметров - мощности и зольности угольных пластов. Сформулировать требования к новой методике и степень возможного использования известных в бассейне и отрасли решений.
На базе количественных оценок и опытных работ сформировать рациональный комплекс методов предварительной локализации выходов угольных пластов в качестве необходимого звена представляемой технологической цепочки.
Путем опытных работ адаптировать для условий выходов угольных пластов в зонах островной мерзлоты способы проводки керновых и бескерновых некавернозных скважин, прорезки угольных пластов и подъема кондиционного керна, сохранения сквозно-сти и гарантированной безаварийности скважин. Оптимизировать буровое звено как необходимую составляющую единой комплексной технологической цепочки.
Проведением аналитических, расчетных, экспериментальных и методических работ адаптировать традиционные и разработать оригинальные варианты методов ядерно-физического опробования (ЯФО) обсаженных скважин с целью выделения угольных пластов на их выходах, а также достоверного изучения мощности, зольности и геометрии вскрытых пластосечений. Оптимизировать ЯФО как звено единой технологической цепочки.
На базе методических и производственных работ оценить случайные и систематические погрешности кернового и ядерно-физического опробования. Исследовать погрешности кернового опробования, обязанные избирательному истиранию керна и найти корректные способы учета таких погрешностей.
Методы исследований: аналитический обзор литературных и фондовых источников, в том числе авторских, по теме диссертации; экспериментальные, методические и производственные лабораторные, полевые и камеральные исследования по локализации выходов пластов, проходке скважин, керновому и ядерно-физическому опробованию пластосечений угля; производственная отработка вариантов использования методики в условиях различных стадий и участков работ; подбор зондов ЯФО, физическое моделирование скважинных условий ЯФО, физическое и математическое моделирование процессов избирательного истирания керна; формирование цифровых баз данных; статистическая и неформальная обработка результатов экспериментальных, методических и производственных работ.
Фактический материал включает данные экспериментальных и методических исследований Отряда ядерно-физических методов (ОЯФМ) ЮЯГРЭ на Денисовском и Кабактин-ском месторождениях 1987-1989 годов, а также данные производственных работ ОЯФМ с использованием представляемой методики на 11 участках Алдаио-Чульманского и Усмунского угленосных районов ЮЯУБ 1989 -2004 годов. Физические объемы: более 200 пог. км электроразведочных, работ, ориентированных на предварительную локализацию выходов угольных пластов, опытные атмогеохимические, сейсморазведочные и магниторазведочные исследования; 1095 пластопересечений на выходах угольных пластов рабочей мощности, в том числе 311 пластопересечений с подъемом 1296 погонных метров угольного керна, при его среднем выходе 88 %; 2362 скважины суммарным объемом 21210 погонных метров; более 465 тысяч физических точек ЯФО различными методами; 4805 керновых проб угля, породных прослоев, почвы и кровли пласта, а также 333 пластовых и дифференциальных бороздовых пробы из подземных горных выработок обеспеченных углехимическими, силикатными, эмиссионными спектральными, нейтронно-активационными и иными анализами. Защищаемые положения: 1. Методика локализации, вскрытия и опробования выходов угольных пластов включает в единую технологическую цепочку предварительную локализацию зон ожидания выходов пластов, керновое и бескерновое бурение, ядерно-физическое и керновое опробование и гарантирует достоверные данные о геометрии, морфологии и качестве углей угольного пласта.
Изучение морфологии и качества угольных пластов в естественном залегании обеспечивается адаптированным для условий обсаженных скважин ядерно-физическим опробованием по плотности (ГГО-П), водородосодержанию (ННО), естественной радиоактивности (ГОЕР), а также эффективному атомному номеру (ГГО-С) с оригинальным зондом, созданным на основе исследований химического состава и физических свойств углей ЮЯУБ и опытно-методических работ.
Способ оценки систематических погрешностей кернового опробования выходов угольных пластов, разработанный на базе физического и математического моделирования, кустового и сопряженного опробования скважин и стенок штолен, позволяет учитывать влияние процессов избирательного истирания углей на основные углехими-ческие характеристики пластосечений.
Научная новизна: разработана методика локализации, вскрытия и опробования выходов угольных пластов, включающая в единый технологический цикл предварительную локализацию выходов углей, керновое и бескерновое бурение, ядерно-физическое и керновое оп-
робование, обеспечивающие достоверные данные о геометрических параметрах, морфологии и качестве пластов;
создан оригинальный 4л: зонд диффузного рассеяния на основе источника стронций-90 в сборке со свинцовой мишенью, предназначенный для ГГО-С скважин, обсаженных дюралевыми стаканами;
впервые с целью локализации углей ЯФО в ЮЯУБ применен нулевой нейтрон-нейтронный зонд;
на базе объемного изучения химического состава и физических свойств углей ЮЯУБ рассчитаны уровни потенциально достижимой точности определения зольности различными методами ЯФО;
физическим и математическим моделированием кернового, бороздового и ядерно-физического опробования установлена связь ошибок определения зольности, обязанных избирательному истиранию керна и выхода керна; разработана система поправок зольности пластосечений за избирательное истирание керна; установлены диапазоны случайных и систематических погрешностей кернового и ядерно-физического опробования выходов угольных пластов.
Личный вклад автора: идея методики; проектирование, организация, руководство выполнением экспериментальных, методических и производственных работ в качестве начальника ОЯФМ ЮЯГРЭ (ГГГП «Южякутгеология») в период 1986-2004 годов; основные методические, технические и аппаратурные решения в рамках представляемой методики; непосредственное участие во всех видах экспериментальных и методических исследований и представлении результатов работ.
Практическая значимость работы и реализация результатов заключается в том, что исследования по теме диссертации позволили полностью заменить традиционный канавный способ изучения выходов угольных пластов в ЮЯУБ на представляемую методику, которая в настоящее время используется в бассейне как стандарт. Применение новой методики уменьшает стоимость получения пластосечения на выходе угольного пласта более чем на треть (27-44 %). Площадь поражения ладшафта при изучении одного пластосечения в сравнении с канав-ным буро-взрывным способом сокращается примерно в сорок раз (с 3200 до 80 м ).
В освоенном Алдано-Чульманском районе ЮЯУБ в девяностые годы прошлого века стали создаваться малые угольные разрезы, эксплуатирующие выходы угольных пластов на малоизученных флангах уже разведанных месторождений или на изолированных малых месторождениях, также слаборазведанных. Исторически сложилось так, что выходы пластов на многих объектах, даже прошедших апробацию в Государственной комиссии по запасам, были недоразведаны под требования открытой добычи. В этой ситуации высокая мобильность, оперативность, достоверность и низкая стоимость исследований в рамках представляемой мето-
дики оказались весьма востребованными даже в кризисных условиях. В 1988-2004 годах методика применялась на 13 участках месторождений. На пяти из этих объектов сейчас функционируют угледобывающие предприятия (АО «Денисовское», разрез Угольный АО СП «Эрэл», разрез Инаглинский АО СП «Эрэл», АО разрез Олонгринский, АО «Малые разрезы Нерюнгри»).
Апробация. Результаты исследований по теме диссертационной работы многократно (21 раз) рассматривались на научно-технических советах Южно-Якутской ГРЭ (позднее ГГГП «Южякутгеология»), ПГО «Якутскгеология» и Госкомитета Республики Саха (Якутия) по геологии и недропользованию при защите соответствующих производственных отчетов (1989-2003 г.г.). Результаты исследований докладывались: на IV Межународной конференции «Новые идеи в науках о земле» (Москва 1999 г.); на Республиканской PC (Я) научно-производственной геологической конференции (Якутск 2001 г.); на Республиканской PC (Я) конференции «Итоги геокриологических исследований в Якутии в XX веке и перспективы их дальнейшего развития» (Якутск 2001 г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Геофизические методы при разведке недр и экологических исследованиях» (Томск 2003 г.); на конференции «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (Красноярск 2003 г.) и других.
Публикации. По вопросам освещаемым в диссертации опубликована одна монография и 12 научных работ, из них 3 - в реферируемых журналах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав основного текста, заключения, списка изданной и фондовой литературы на 160 наименований, двух приложений и содержит 169 страниц машинописного текста, 40 рисунков и 28 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, доктору экономических наук, кандидату геолого-минералогических наук Г. Ю. Боярко, а также доктору геолого-минералогических наук, профессору А. Ф. Коробейникову, кандидату геолого-минералогических наук, доценту Ю.Н. Попову, доктору геолого-мииералогических наук, профессору Рихванову Л.П. за большое внимание к диссертационной работе и поддержку на всех этапах ее подготовки. Автор признателен коллегам - геологам, геофизикам, буровикам Государственного горно-геологического предприятия «Южякутгеология», особенно - работникам Отряда ядерно-физических методов за помощь и сотрудничество.
1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ЮЖНО-ЯКУТСКОМ УГОЛЬНОМ БАССЕЙНЕ
Южно-Якутский каменноугольный бассейн (ЮЯУБ) располагает крупнейшими на востоке России запасами высококачественных коксующихся углей (Рис 1.1). Современный этап геологических исследований бассейна начался в 1952 году с момента создания Южно-Якутской комплексной экспедиции (ЮЯКЭ). Коллективу экспедиции, которым в разные годы руководили И.А. Кобеляцкий, И.С. Бредихин, И.Д. Ворона, В.Т. Сорокин, В.Н. Котенев и А.Е. Добров, принадлежит ведущая роль в геологическом изучении бассейна. Особенно в плане познания угленосности площадей, морфологии угольных пластов, качества углей и иных параметров угольных месторождений, изучаемых на поисковых и разведочных стадиях геологоразведочного процесса. Существенные сведения по геологии бассейна, месторождений угля и методике углеразведки содержатся в многочисленных отчетах специалистов Южно-Якутской экспедиции, таких как Г.Ю. Лагздина, И.С. Бредихин, А.С. Каримова, А.Н. Антропов, М.Д. Гуменюк, Н.П. Георгиевский, Л.М. Минкин, В.И. Ильин, Р.А. Ремезов, Н.П. Поляков, А.Н. Па-хомов, А.А. Хворостина, B.C. Кошляк, В.Д. Степанов, С.Д. Борзых, И.Г. Артеменко, В.Я. Щербаков, Е.В. Пантелеев, В.П. Алексеев, А.Г. Гончар, А.В. Клишейко, В.И. Стерхов, В.И. Горшков, К.Н. Григорьев, Е.И. Стефанова, Э.А. Супрунов, М.И. Зализняк, В.А. Ильин, Б.А. Сикач и В.Д. Чукурна, Л.Д. Самохвалова, М.И. Павлик, Р.З. Илларионов, A.M. Прилуцкий, О.А. Янопо-лец, A.M. Сафонов, В.В. Некрасов, В.В. Викторов, К.Н. Ушаков, В.М. Корчагин, Е.С. Папп, И.В. Данкевич, В.Г. Шафранский, В.М. Колсанов, В.Н. Швец, В.Н. Грабченков, М.И. Логинов, Н.Н. Гриб, В.П. Чернецов, Сясько А.А., Скоморошко Ю.Н., Ф.Р. Завадский, Л.Н. Петелина.
Необходимо отметить исследовательский и информационный вклад в изучение ЮЯУБ и становление методики углеразведки специалистов ЛАГУ АН СССР, ИГ ЯФ СО АН СССР, ЯГУ, НИИГА, ВСЕГЕИ, ИГиРГИ, ИГД, СГИ-УГГА, ВУХИН, ВНИГРИуголь, ВИМС, МГУ, ЛГУ, Мингео СССР, ВостсибНИИГИМСа, ВНИИгеофизики, НГРП треста «Дальвостокугле-разведка», ОАО ХК «Якутуголь» и иных добывающих предприятий, ПГО «Якутскгеология»: В.В Мокринского, И.Э. Вальц, Т.А. Ишиной [140], З.П. Просвиряковой; В.М. Желинского, В.Н. Коробициной [31-35], Ш.А. Сюндюкова [94,95], В.И. Фролова [106], Н.А. Игнатченко, А.В. Александрова, Д.В. Митронова; В.В. Стогний [92]; А.В. Павлова, Е.С. Корженевской; А.А. Се-мерикова, В.М. Власова [15], Т.В. Каткевич, Е.М. Маркович [130]; И.И. Амосова, В.К. Прянишникова; СИ. Малинина; Я.М. Черноусова, В.А. Князева, В.П. Алексеева [2], Н.А. Попова, И.И. Геблер, И.Я. Фаткуллина; В.А. Тащилкина, М.И. Логвинова [53], Т.А. Ягубянц, Ю.И. Гайдукова [18]; A.M. Блоха, Е.И. Стефановой [91], В.Ф. Череповского, М.В. Голицина; А.Н. Макарова, Б.К. Киселева, В.Н Меньшикова, С.К. Сулковского; А.Г. Черникова, [111], Б.И.Вайткуса;
Условные обозначения:
Черным цветом показаны ресурсы, а красным - запасы углей угленосных районов в миллионов тонн; а - балансовые запасы A+B+Q;
б - балансовые запасы С2, в - запасы не учтенные балансом.
Заливка: синим - площади месторождений разведанные с балансовыми запасами; темно-коричневым - площади месторождений с ресурсами
более 2000 млн. т.; коричневым - с ресурсами 500-2000 млн. т.; оранжевым - с ресурсами 200-500 млн. т.; светло-оранжевым - 50-200 млн. т..
Границы ЮЯУБ показаны сплошной черной линией, разделенной на угленосные районы штриховыми линиями.
Красные молоточки - угледобывающие предприятия
Черные цифры - номера месторождений по списку
Рис. 1.1 Геолого-экономическая схема Южно-Якутского угольного бассейна в границах промышленной угленосности с разделением
на угленосные районы
В.И. Подоляна, В.Н. Машира, В.Н. Логунова, В.В. Номинханова, Л.Д. Лухтиной; М.Н. Лубя-новского, Л.И. Серебренникова, В.Е. Попова, П.Г. Петелина, А.И. Самохвалова А.Н.; Т.Г. Баб- / киной [132], Ветлужских В.Г., Верховцева, В.В. Зоркальцева, Б. И. Подъячева и других.
Необходимо заметить, что абсолютно большая часть многочисленных исследовательских работ, выполненных на информационном массиве ЮЯУБ, посвящена вопросам стратиграфии, тектоники, литологии, фациально-генетическому анализу, цикличности строения разреза бассейна, условиям формирования угленосных отложений, геохимии углей и вмещающих пород, прогнозу угленосности, метаморфизму, обогатимости и петрографии углей. То есть классическим вопросам угольной геологии, решаемым для всех угольных бассейнов страны. В то же время, методические и технологические вопросы углеразведки в ЮЯУБ представлены в публикациях крайне ограниченным числом работ двух направлений: разработка и внедрение двойных колонковых труб для подъема кондиционного угольного керна; разработка и внедрение геофизических методик изучения и опробования угольных скважин (Ю.И. Гайдуков, А.Н. Макаров, М.И. Логинов, Н.Н. Гриб, А.Г. Черников).
Ниже кратко представляется общая геологическая и геолого-методическая информация по ЮЯУБ. Эта информация имеет преимущественно компилятивный характер, но опосредована личными производственными, в том числе опубликованными работами автора [113-127, 135,141-143,149, 153-159].
Угольные месторождения Южно-Якутского каменноугольного бассейна размещаются в разобщенных межгорных терригенно-осадочных впадинах, протягивающихся в субширотном направлении более чем на 800 км, вдоль границы Алданского кристаллического массива и Становой складчатой системы. Площадь развития угленосных отложений несколько больше, нежели изображенная на рисунке 1.1 за счет территорий с непромышленной угленосностью и
равна примерно 26 тысячам км . Предполагается, что все угленосные депрессии являются реликтами ранее единого предгорного прогиба, сформировавшегося в период мезозойской текто-но-магматической активизации [8, 14, 31,49, 60, 84, 86, 117, 126, 127, 147].
Общие закономерности строения крупных впадин, позиционируемых как Алдано-Чульманский, Усмунский, Токийский и Гонамский угленосные районы Южно-Якутского угольного бассейна [9, 15,33,34, 72, 92, 114, 139, 140]:
с юга и юго-запада они ограничены надвигами и взбросами, по которым древние кри-
сталлические породы надвинуты на угленосные отложения с амплитудой до 15 километров;
северные, северо-западные и восточные границы мезозойских отложений имеют эрозионный характер;
амплитуды вертикальных и горизонтальных движений увеличиваются с севера, северо-
востока на юг, юго-запад; для Алдано-Чульманского района на базе тектонической
группировки шахтных полей [42, 68, 98] устанавливаются три, простирающиеся широтно, структурно-тектонические зоны: спокойного залегания, нарушенных пород и сильно дислоцированных пород; доминантой формирования тектонического облика угленосных отложений, по мнению многих исследователей [140, 139, 66, 9, 33], являются блоковые движения по разломам фундамента, поэтому на стыках блоков фиксируются сложные деформации, а в меж-разломных участках тектонические деформации проявлены слабее (Нерюнгринское месторождение [2]), вплоть до уровня, присущего слабодислоцированным толщам Чуль-маканского месторождения и Восточной площади.
Межведомственной стратиграфической комиссией (1978 г.) мезозойская формация Южно-Якутского бассейна, представленая песчаниками, алевролитами, конгломератами, гравелитами, аргиллитами и угольными пластами стратифицируется, на нижнеюрские отложения юх-тинской свиты, среднеюрские отложения дурайской свиты, верхнеюрские отложения кабак-тинской, беркакитской и нерюнгриканской свит и одновозрастные нижнемеловые отложения холЪдниканской-ундытканской свит. Нижняя часть угленосной формации имеет более устойчивые состав и строение, нежели верхняя. Комплекс мезозойских пород с большим стратиграфическим перерывом залегает на размытой поверхности нижнекембрийских, вендских, рифей-ских и архейских образований.
Работами геологов ЮЯКЭ и научно-исследовательских организаций стратиграфическая схема ЮЯУБ неоднократно корректировалась изменением мощностей свит [34, 120, 130, 160].
Сравнение рамочной стратиграфической схемы Межведомственной стратиграфической комиссии 1978 года и схемы используемой в настоящее время
Таблица 1.1
Из таблицы 1.1 следует, что тенденция наращивания мезозойского разреза бассейна за счет верхнеюрских угленосных образований, стратифицируемых выше кабактинских пластов Ki4 - Кп, сохраняется и в последние двадцать пять лет. Так, от исторически первой стратигра-
фической схемы Н. В. Фроловой 1947 года [140] до схемы И.С. Бредихина 1961 года [9] мощность разреза увеличилась с 700 до 1920-2250 метров. Принципиальным моментом, определившим в это время масштаб наращивания мезозойских толщ, явилось подтверждение работами на Кабактинской площади предположения геологов ЮЯКЭ (Н. П. Георгиевский и др., 1954) о том, что разрез Нерюнгринского месторождения (ныне нерюнгриканская свита) не паралле-лизуется с разрезом Чульмаканского месторождения (дурайская свита), а надстраивает последний. Соответствующие схемы ЛАГУ АН СССР (Ишина Т.А., 1957-1961) того времени оценивали мощность мезозойских осадочных пород АЧУРа в 1180-1600 метров.
Следущее по времени значительное увеличение мощности мезозоя района до 4150 метров предлагается стратиграфическими схемами 1962 года (А.В. Павлов, НИИГА, Ш.А. Сюн-дюков ЯФ СО АН СССР [94, 95]). На тот момент наиболее существенным фактом спровоцировавшим наращивание мезозойского разреза явились результаты геологической интерпретации вертикальных электрозондирований (разносы АВ до 20-30 км, производившихся геофизиками ЮЯКЭ с 1958 года [151]. Максимальная мощность мезозойских отложений, вычисленная через глубину залегания опорного горизонта высокого сопротивления (докембрийского фундамента) в принадвиговой зоне АЧУРа составила порядка 4.5 километров [72, 139, 66]. Несколько позднее в пределах горкитской свиты, за чей счет наращивался разрез, были выделены три подсви-ты, которые к середине семидесятых годов оформились как самостоятельные кабактинская, беркакитская и нерюнгриканская свиты.
Южно-якутский угольный бассейн отличается невыдержанностью фациально-литологических единиц разреза по латерали и, практически повсеместным, отсутствием маркирующих горизонтов. Базовым для бассейна является структурно-геометрический (основные реперы - угольные пласты) способ увязки разрезов и стратификации с широким привлечением результатов каротажа и визуального изучения гранулометрического состава песчаников и алевролитов. Изучение флористических комплексов реально помогает только при межрайонной корреляции мезозойских отложений. Корреляция разрезов на основе цикличности в бассейне затруднена тем, что стратифицируемые образования и даже свиты, иногда и в смежных тектонических блоках, выделяются как циклы разного порядка или как разночисленные композиции однопорядковых циклов [120]. Особенно затруднена корреляция разрезов и стратификация для малоизученных сложнодислоцированных принадвиговых частей кабактинской и бер-какитской свит, где эффективное применение базового структурно-геометрического метода требует экономически нерациональной, загущенной сети скважин и поверхностных горных выработок. Для повышения надежности увязки разрезов и стратификации угольных пластов в бассейне можно использовать минералогические и геохимические поля в зонах создаваемых пластосечений и междупластий [91, 117, 119, 130, 53]. Например, по трендам содержаний оксида кальция и стратициклам оксида магния в золе углей можно стратифицировать угольные
пласты [120].
Цитологически угленосные породы ЮЯУБ достаточно однородны. До 96 % вскрытых разрезов сложены обломочными породами. Среди обломочных пород преобладают (90-96%) песчаники и алевролиты, а конгломераты и гравелиты существенно представлены лишь в ун-дытканской свите Токийской впадины (30%). Песчаники формации относятся к аркозам, грау-вакко-аркозам и, реже, грауваккам (Токийский район). Обломочный материал песчаников представлен кварцем, микроклином, плагиоклазом, обломками кремнистых пород, эффузивов, хлорита, роговой обманки. Акцессорные минералы: апатит, циркон, гранат, сфен, лейкоксен, турмалин, эпидот. Минералогический состав песчаников меняется по площади бассейна. Наиболее значительные изменения характерны для верхов угленосной толщи. Алевролиты в сравнении с песчаниками имеют более высокие содержания кварца и акцессорных минералов [91]. Постседиментационные преобразования пород возрастают согласно стратиграфической глубине отложений от позднекатагенетических до раннеметагенетических (соответственно, ломон-тит-хлорит-гидрослюдистый, гидрослюдисто-роговиковый цемент и кварц-роговиковый, при регенерации зерен кварца и полевых шпатов [33]).
Глинистые породы - аргиллиты слагают прослои, мощностью преимущественно до 0,2 метров, в кровле и почве угольных пластов и составляют не более 1% объема формации. Как правило, аргиллиты имеют примесь обломочного материала, преимущественно кварца. Минеральный состав аргиллитов хлорит-гидрослюдистый. Отношение содержаний хлорита к гидрослюдам падает согласно стратиграфической глубине рассматриваемых отложений [33].
Вулканогенно-осадочные породы в виде прослоев туфо-песчаников и туфо-алевролитов наиболее распространены в Токийской впадине, в ЮЯУБ в целом и особенно в Алдано-Чульманской впадине они отмечаются достаточно редко. Пирокластика вулканогенно-осадочных пород представлена пепловым материалом и обломками цеолитизированного вулканического стекла, а глинистый материал -монтмориллонитом и гидрослюдой.
Карбонатные породы в разрезе мезозойских отложений встречаются редко, преимущественно в виде конкреционных прослоев, конкреций (кальцита, сидерита, доломита, анкерита), а также терригенно-карбонатных пород с кальцитовым и сидеритовым цементом.
Месторождения и участки угленосных районов ЮЯУБ изучены с различной степенью детальности, преимущественно до глубины 300-700 метров. Всего в бассейне пробурено 1820 км поисковых и разведочных скважин, пройдено 1970 тысяч кубометров канав, 20 км мелких скважин по выходам угольных пластов и 10 км подземных выработок [75, 121]. Наиболее высоким уровнем изученности выделяется Алдано-Чульманский угленосный район. Шестью скважинами на Денисовском, Кабактинском и Верхне-Талуминском месторождениях этого района угленосные отложения вскрыты до глубины 1100-1625 метров. Максимальная зафиксированная скважинами глубина промышленной угленосности - 1315 метров.
В разрезе мезозойских осадков ЮЯУБ выявлено около 200 углепроявлений, 63 из них имеют рабочие значения мощности (0,7 м и более) и существенное площадное распространение. Большинство угольных пластов относится к группам весьма тонких, тонких и средних по мощности. Пласты Дп, Д15, К4, К15, Уго, Уэ> У4, Hie, Н15, проявляют себя как мощные (более 3,5м). Пласт Мощный Нерюнгринского месторождения относится к весьма мощным пластам (24,4м).
Угольные пласты, представляющие промышленный интерес, распределяются в разрезе формации неравномерно. Максимум угленосности фиксируется на границе юрских и меловых отложений, в верхах нерюнгриканской и низах ундытканской свит. В верхах дурайских и низах кабактинских отложений фиксируется еще один интервал высокой угленосности. По площади Южно-Якутского бассейна угленосность распределяется в целом неравномерно. Как тенденцию следует отметить возрастание угленосности с севера на юг, что объясняется увеличением мощности угленосных мезозойских отложений в том же направлении. Средняя угленосность по бассейну относительно невелика и составляет 1,5-2,0 млн. т. на квадратный километр. На крупных месторождениях угленосность возрастает, например, на Нерюнгринском месторождении - до 30-40 млн. т. на квадратный километр. Распределение запасов и ресурсов углей ЮЯУБ по марочному составу, глубине и площади отработки на начало 2003 года представлено в таблице 1.2. и на рисунке 1.1. Из таблицы 1.2 следует, что балансовые запасы бассейна составляют 15.5% геологических, при относительном дефиците запасов и ресурсов слабоспекающихся углей и углей залегающих в интервале глубин 0-50 метров.
По природе исходного растительного материала угли бассейна относятся к группе гумолитов класса гелитолитов, преимущественно средней степени метаморфизма с максимально высоким содержанием витринита (обычно 95%). Семивитринит, представленный чаще всего микстинитом (смесью микрочастиц витринита и минеральных примесей) встречается достаточно редко (не более 5-6% объема микрокомпонентов). Содержание фюзинитов как правило не превышает 3-5% и только в пласте «Мощном» Нерюнгринского месторождения и в пластах Эльгинского месторождении Токийского района достигает соответственно 10-15 и 30% [15, 106, 95]. Сапрогумолитовые угли встречаются редко, в виде единичных прослоев субдециметровой мощности, преимущественно в верхах дурайской свиты. Пласты углей, в которых сапропелевый материал существенно преобладает над гумусовым отмечены только в западной части Усмунского района [106].
Марочный состав разведанных и учтенных как ресурсы углей ЮЯУБ представлен в таблице 1.2. Основу запасов и ресурсов бассейна составляют коксующиеся угли марок Ж, КЖ, К, ОС. Согласно международной классификации добывающиеся и детально разведанные угли ЮЯУБ соответствуют высокоспекающимся ценным коксующимся с кодовыми номерами 535, 425,434,335,334.
%
%
«
Запасы и ресурсы углей Южно-Якутского каменноугольного бассейна.
Таблица 1.2
Разведочные и исследовательские работы [15, 33, 95, 106] свидетельствуют, что на всех изученных месторождениях с ростом глубины залегания углей, соответственно правилу Хиль-та, растет отражательная способность витринита и уменьшается выход летучих веществ. Темп изменения отражательной способности и выхода летучих примерно в 1,5 раза выше чем для аналогичных углей Донбасса и Кузбасса. Отмечается сложная и необычная площадная зональность метаморфизма, повышенные значения градиентов метаморфизма и резкие их колебания даже для соседних скважин. Предметом почти полувековых дискуссий является объяснение факта более высокой степени метаморфизма верхнеюрских углей Нерюнгринского месторождения (коксовые) при относительно низком уровне метаморфизма среднеюрских углей Чуль-макана (жирные). Для упомянутых объяснений используются гипотезы фрикцимобильных, динамических, сейсмических, термально-магматогенных воздействий [34, 106, 130].
Макроскопически угли бассейна различаются по блеску, структуре и текстуре, которые определяются преимущественно содержанием (5-50 %) и характером распределения в них минеральных примесей. Минеральные примеси углей представлены глинистым материалом (каолинит, гидрослюды), карбонатами (кальцит, сидерит, сферосидерит), кварцем и сульфидами [91]. Доля терригенных компонентов минерализации (полевые шпаты, кварц, слюды, акцессо-рии) ощутимо растет в полуматовых и матовых разностях углей с увеличением их зольности.
Угли ЮЯУБ средне и высокозольные, труднообогатимые, малосернистые и малофосфористые. Химический состав собственно углей и золы углей основных целевых пластов Южной Якутии эпизодически изучался при углеразведке по валовым пробам из штолен и шахт и системно, по среднепластовым и дифференциальным пробам, в процессе тематических исследований автора [116, 117, 121, 157, 158]. Поскольку достаточно детальная геохимическая характеристика макро и микроэлементного состава углей ЮЯУБ является необходимой составной частью главы 4, то здесь лишь отметим, что состав золы рассматриваемых углей преимущественно алюмосиликатами, достаточно изменчивый как в пластосечениях, так и на среднепластовом уровне.
Природные газы угольных пластов представлены метаном (0,3-99%), углекислым газом, водородом (до 7,8%), азотом и тяжелыми углеводородами (до 0,95%) [108, 100]. Причем, метан фиксируется даже в зоне газового выветривания, в чехле рыхлых четвертичных отложений на глубине полуметра [121].
Прочность угленосных пород бассейна.при одноосном сжатии превышает 80-90 МПа, в водонасыщенном состоянии она снижается практически вдвое. Породы кровли и почвы уголь-ных пластов относительно устойчивые. Крепость пород кровли менее 4,3 т/м , почвы - 4,8 т/м , углей - 1,4 т/м3. Породы бассейна весьма трещиноваты, особенно в зонах разрывных нарушений [100].
Особенностью ЮЯУБ является то, что около трети запасов разведанных угольных пла-
стов залегает гипсометрически выше уровня подземных вод в зоне многолетнемерзлых пород островного типа, представленных разноразмерными «пятнами» мощностью до 200 метров. Температура многолетнемерзлых пород изменяется от 0 до -5С. Температура горных пород и фазовое состояние воды-льда существенно влияют на объёмную массу углей в естественном залегании. Конкретная физико-геологическая обстановка на выходах угольных пластов (влажность, льдистость, физико-механические свойства углей и вмещающих пород) очень изменчива.
При окислении углей образуется непрерывный ряд от неокисленного угля до полностью окисленного (марка СС). Величина зоны окисления даже в границах одного месторождения колеблется в широких пределах (от 6 до 308 м). Характер и степень окисления углей на выходах угольных пластов под наносы контролируются локальной интенсивностью процессов выветривания, которая определяется уровнем грунтовых вод, развитием мерзлоты, рельефом места выхода пласта и экспозицией склонов, тектонической проработкой углей и углевмещающих пород. Наиболее устойчивы в зоне окисления низкозольные блестящие дурайские угли, зачастую сохраняющиеся глыбами среди окисленного субстрата уже на первых метрах от выхода пласта [121, 135].
По морфологическим признакам угольные пласты ЮЯУБ относятся преимущественно к невыдержанным и относительно выдержанным [32, 35, 19, 42]. В группу выдержанных пластов попадают только мощные пласты бассейна. Причем, коэффициенты вариации мощности всех типов пластов находятся, в основном, в диапазоне 45-90 % отн. Угольные пласты дурайской, кабактинской и беркакитской свит содержат 1-5 породных прослоев, обычно развитых не по всему пласту, а на его локальных участках, которые в плане совпадают с зонами повышенной генетической мощности пластов. Выдержанные прослои прослеживаются в пластах на сотни и тысячи метров, их мощность обычно не превышает четверти метра, а число - двух, реже трех. Цитологически - это аргиллиты, алевролиты, либо мелкозернистые песчаники. Невыдержанные породные прослои имеют при том же составе (с тенденцией утонения зернистости) меньшие мощности и линзовидный характер с субметровыми размерами линз. Стратиграфическая привязка породных линз внутри пластов, в общем случае, отсутствует.
Морфология и геометрия угольных пластов на их выходах подвержены влиянию мерзлотных процессов, степень действия которых определяется сезонным протаиванием мёрзлых пород (3-15 метров) и промерзанием талых пород водоразделов (3-9 метров). Мерзлотные процессы на выходах угольных пластов проявляются явными криогенными нарушениями углей, которые выражаются перемятостью и раздробленностью вещества угольного пласта, образованием микроскладок и микросбросов. В угле отмечаются субсантиметровые-субдециметровые линзы и гнезда льда. Иногда на выходах пластов из обломков аргиллитов, алевролитов и угля образуется своеобразная брекчия, сцементированная льдом. При этом в более плотных (менее
пористых) вмещающих породах мерзлотные процессы столь достоверно не документируются [32]. Мерзлотные процессы ярче проявляются в субгоризонтальиых угольных пластах на пологих склонах южной экспозиции и слабо - на крутопадающих пластах.
Определенное влияние на характер физико-механических свойств угля, вскрываемого на выходах угольных пластов, имеет и постседиментационная тектоническая проработка, которая приводит к послойным подвижкам и значительному перераспределению угольной массы внут-
^ ри угольного пласта через формирование его раздувов и пережимов. Иногда фиксируется тек-
тоническая проработка почвы пластов с засорением углей нижней части пластов породой [19]. Постседиментационная тектоническая проработка более проявлена в относительно низкозольных, хрупких дурайских углях нежели в углях кабактинской свиты. Фиксирован также случай тектонического нарушения непосредственного выхода угольного пласта под наносы с субперпендикулярной пласту плоскостью сместителя [153].
В структурном отношении большая часть разведываемых в настоящее время месторождений представлена субгоризонтальными и пологопадающими пластами, хотя имеются слу-
ш\ чаи разведки наклонных [148] и, даже, субвертикальных [143] пластов. Рисунок выходов пла-
стов в ЮЯУБ, особенно субгоризонтальных, определяется преимущественно современным рельефом. Рельефом расчленённым, с относительными превышениями водоразделов над днищами долин водотоков до 200-300 метров, с густой сетью ручьев по самим водоразделам. Геометрия выходов угольных пластов на дневную поверхность оказывает серьезное влияние на результаты поисково-разведочных работ в части оконтуривания и подсчета запасов углей [135, 145].
Завершая главу первую, отметим - специфика условий залегания угольных пластов в Южной Якутии позволяет отказаться от капиталоемкого (шахтного) подхода к строительству
*»* горных предприятий и ориентироваться на комбинированную разработку углей малыми разре-
зами и штольнями. Первым этапом реализации такого подхода в бассейне является фрагментарная разработка угольных пластов по контуру их выходов на поверхность малыми разрезами (Угольный и Дц- Инаглинский - Эрэл-ЛТД, ІСі-Денисовский, «Малые разрезы», Олонгро).
«"
2. ОБЗОР И АНАЛИЗ ПРАКТИКИ ЛОКАЛИЗАЦИИ, ВСКРЫТИЯ И ОПРОБОВАНИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Экономическая эффективность современных угледобывающих предприятий существенно определяется степенью полноты и достоверности предшествующих геологоразведочных работ. В плане достоверности работ наиболее критичны оценки геометрии, мощности и строения угольных пластов, а также технологических показателей углей. Упомянутые оценки при геологоразведке получают посредством геофизического опробования скважин, визуального изучения керна и горных выработок, лабораторного исследования вещества керна скважин, проб стенок и забоев из открытых и подземных горных выработок.
Основным способом вскрытия и опробования угольных пластов (более 70-80% затрат на геологоразведку) в настоящее время является колонковое бурение скважин глубиной 30-1000 метров с документацией, опробованием и лабораторным анализом керна, сопровождаемое геофизическими исследованиями [74]. Сеть скважин имеет обычно заданный проектом субрегулярный характер, а ее геометрические параметры определяются выдержанностью угольных пластов и стадией геологоразведочных работ [42]. Дополнительные усилия по локализации точек заложения скважин в процессе углеразведки требуются только при уточнении положения границ зон размывов, замещений и расслоения пластов, а также зон нарушенных пород.
Вскрытие и опробование угольных пластов горными выработками используется в меньшей мере в силу стоимостных и горно-гидрогеологических ограничений. Подземные выработки создаются для получения крупных проб углей на технологические исследования. Кроме того, на базе бороздового опробования и геологической документации в них изучаются зоны выветривания и окисления углей, морфология, изменчивость геометрических, физических и технологических характеристик угольных пластов. Точки заложения таких относительно редких геологоразведочных сооружений, как подземные выработки тщательно локализуются на основе разнообразной геологической информации и зачастую предваряются поверхностными горными выработками.
Поверхностными горными выработками вскрывают угольные пласты при небольшой мощности рыхлых отложений. Основная цель вскрытия - прослеживание и, при возможности, рядовое бороздовое опробование, выходов пластов, которые согласно нормативным требованиям [40, 42, 98] «должны быть специально разведаны». Определение точек заложения поверхностных горных выработок выполняется в зонах ожидания выходов углей, определяемых по комплексу индивидуальных геологических, геоморфологических, геоботанических и геофизических признаков. Надежность локализации выходов угольных пластов зачастую весьма низкая.
Обоснованно и, практически по умолчанию, считается, что оценки геометрии, мощности, строения угольных пластов, а также технологических показателей углей, полученные путем бороздового и валового опробования в горных выработках, наиболее достоверны [42]. Достоверность кернового опробования, как массового и экономически актуального инструмента изучения угольных пластов, принципиально определяющего качество получаемой геологоразведочной информации по угольным месторождениям, является предметом исследований и публичного обсуждения в нашей стране уже более пятидесяти лет [71, 69].
В.В. Гречухин [26] и СИ. Кирикирилица [73] отмечают, что в предвоенные, военные и послевоенные годы при бурении угольный керн практически не поднимался или поднимался эпизодически; часто бурением грубо, по изменению характера проходки, фиксировалась только мощность угольных пластов. Подсечения скважин колонкового бурения горными выработками в упомянутое время производились, в частности, в Печорском бассейне [26]. Но, в силу прошедшего времени, материалы 30-х-40-х годов, оценивающие достоверность углеразведки скважинами, недоступны, да и интересны лишь исторически.
С пятидесятых годов прошлого века в инструментарий геологической службы страны, практически повсеместно, вошел электрокаротаж, а к началу шестидесятых годов углеразве-дочные скважины стали исследовать и ядерно-физическими методами [10, 11, 17, 26, 58, 59, 68, 87, 88, 102, 104, 105, 150]. Отработка геофизических способов опробования угольных пластов в скважинах и возникавшие при этом коллизии геологов и геофизиков стимулировали оценки достоверности геофизического и кернового опробования. Динамика таких оценок применительно к основным кондиционным параметрам - мощности и зольности угольных пластов -представлена в таблицах 1.1-1.4 и примечаниях к ним.
Совершенствование конструкций бурового оборудования и технологий бурения [6, 18, 29, 36, 50, 76, 93], а также развитие способов геофизического опробования стенок скважин [8, 11, 26, 28, 54, 55, 61, 62, 78, 80, 82, 85, 87, 88, 101, 104, 105, 107, 111,] определенно повысили надежность геологоразведочных оценок параметров углей. Можно констатировать, что в рамках корректного применения существующих геолого-геофизических технологий средние квадратические погрешности определения мощности угольных пластов различного типа в скважинах оценивается цифрами ±(0,1-0,5) метров для кернового опробования и ±(0,06 - 0,2) метра для комплекса геофизических исследований скважин. А средние квадратические погрешности определения зольности - цифрами ±(4,4-7) % абс. для кернового опробования и ±(2-9,2) % абс. для комплекса геофизических исследований скважин. Необходимо отметить весьма характерное для кернового опробования многих угольных пластов систематическое завышение зольности пластосечений на (3-11,7) % абс, обязанное его избирательному истиранию.
При углеразведке мощность и строение угольных пластов определяются преимущественно на основе геофизических методов [42, 98, 7, 6, 59, 60, 61, 17, 107]. Это закономерно, по-
скольку информативность реально практикуемого геофизического опробования, согласно исследованиям В.В. Попова [74] превосходит таковую, базирующуюся на опробовании поднимаемого керна: при определении мощности угольных пластов примерно в три раза; при определении тонкой структуры пластов - почти в два раза. Как следствие, существует давняя и негласная практика корректировки диагностируемых визуально по керну морфологических характеристик пластосечений после проведения геофизических исследований в скважине [87].
Применительно к оценкам показателей качества углей как топлива и, особенно, как сырья для коксохимии, ситуация прямо противоположная. Весь спектр необходимых показателей [42] может быть получен только путем прямого анализа вещества углей в лабораторных условиях, что, в общем случае, безальтернативно предполагает достаточно массовое керновое, грунтоносное или бороздовое опробование угольных пластов, поскольку геофизическим опробованием относительно надежно определяются только зольность и плотность углей. Все прочие необходимые показатели качества углей не проявляются в геофизических полях, используемых при каротаже. Или же связаны с данными геофизического опробования сложно и неустойчиво [26, 5, 105]. Оценки таких показателей, в том числе на базе математических аппаратов полиномиальных моделей [48], кригинга или марковских процессов [111], являются скорее прогнозами по угольным пластам, а не опробованием.
Публикаций по исследованиям достоверности собственно бороздового опробования угольных пластов практически нет. Требования к бороздовому опробованию углей обобщены ГОСТ 9815-75. Согласно этому документу расхождение между зольностью смежных (25 см) бороздовых пластово-промышленных и пластово-дифференциальных проб не должно превышать 10% относительных, но метрология определения мощности и строения пласта не регламентирована.
«Техническими требованиями угольной промышленности...» [98] регламентируются допустимые средние расхождения в определении мощностей (±0,05- 0,2/0,4 метра) и зольно-стей (±10-5% отн.) угольных пластов в скважинах и совершенно не упоминаются метрологические характеристики опробования бороздового. Заметим, что точность определения зольности пластосечений согласно предшествовавших «Временных технических требованиях...» 1970 года должна была быть не хуже ±3% абс. для технологических углей и ±5% абс. для энергетических [26]. Исследования, выполненные в ЮЯУБ, в том числе и автором [121, 122], позволяют определить реальную среднюю квадратическую погрешность пробоотбора бороздой в подземных горных выработках в ±3% абсолютных для углей с зольностью 20-30%. Это достаточно близко к цифрам, регламентируемым ГОСТ 9815-75 и «Техническими требованиями...».
Сопоставление опубликованных данных о реально достигаемых метрологических показателях кернового и геофизического опробования в скважинах (табл. 2.1-2.4) и требований угольной промышленности показывает, что точность определения зольности в скважинах час-
»
%
Таблица 2.1 Сводка сопоставлений мощностей угольных пластов, определенных по керну и в штольнях (шахтах)
* #
Таблица 2.2 Сводка сопоставлений зольностей угольных пластов, определенных по керну и бороздовым опробованием в штольнях (шахтах)
*
Таблица 2.3 Сводка сопоставлений мощностей угольных пластов, определенных геофизическим опробованием, бороздовым опробованием в
штольнях (шахтах) и по керну
Таблица 2.4 Сводка сопоставлений зольностей угольных пластов, определенных геофизическим опробованием, бороздовым опробованием в
штольнях (шахтах) и по керну
то не соответствует или не в полной мере соответствует названным требованиям. Тем не менее, именно на реальном опробовании угольных пластов в скважинах базировался и базируется подсчет запасов углей, экспертируемых и утверждаемых в территориальных и Государственной комиссиях по запасам [42]. Поэтому, безусловно, как керновое, так и геофизическое опробование угольных пластов для всех стадий и способов углеразведки нуждается в совершенствовании.
Что касается именно бороздового опробования открытых горных выработок, то достоверность данного вида исследования углей не обязательно тождественна таковой для выработок подземных. Как и достоверность визуального описания пластосечений. Поскольку публикации на эту тему, отсутствуют, то рассмотрим означенную проблему на примере ЮЯУБ.
Мощность рыхлых отложений над выходами угольных пластов в Южно-Якутском угольном бассейне (ЮЯУБ) обычно равна 2-4 метрам. Поэтому традиционно (1949 -1989 г.г.) выходы угольных пластов вскрывались поисковыми и разведочными канавами. Элементы залегания угольных пластов, их мощность и строение «на выходе», определялись визуальной документацией с последующим бороздовым опробованием и лабораторным исследованием вскрытых углей. В рамках сокращенного технического анализа в углях оценивались зольность (А ), влага аналитическая (Wa), выход летучих(У а), характер королька. Спектральным анализом золы (100-25% всех проб) определялись малые и токсичные элементы. Иногда дополнительно анализировались доля рабочей влаги (W1), удельный вес и плотность. Прочие технологические показатели углей, ввиду практически повсеместной окисленности последних, как правило, не изучались.
Выделим два варианта использования канав при углеразведке в бассейне. Первый вариант заключался в проходке поисковых и разведочных канав шагом 10-100 метров по достаточно протяженным линиям, совпадающим с буровыми разведочным линиями или им субпараллельным. Канавы, в подавляющем большинстве случаев, проходились с применением буровзрывных работ (БВР) методом «на выброс» по рыхлым четвертичным отложениям и на «рыхление» - по коренным породам с зачисткой полотна коренных пород вручную и визуальной документацией. Средние размеры поисковых канав: длина по полотну 1-4 м, ширина по полотну 0,5 м, глубина 2-4 м. Средний объем таких канав различается по объектам геологоразведки. Например, в условиях Кабактинского месторождения он равен 65 м3. В шестидеся-тые-семидесятые годы прошлого века, чтобы несколько сократить количество поисковых канав на водоразделах и пологих склонах массово проходились канавы (борозды глубиной 0,5-1,0 м) плужным канавокапателем. Таким образом, обнаруживали шлейфы сажистого материала, являющиеся индикаторами угольного пласта.
Если плужной или поисковой канавой выявлялся шлейф сажистого материала или фрагмент угольного пласта, то локализованный угольный пласт, по-возможности, вскрывался
разведочной канавой на полную мощность, до получения угля без признаков сезонного выветривания, а затем опробовался бороздовыми пробами. На пластах средней мощности и мощных отбор бороздовых проб осуществлялся по мере вскрытия угольных пластов от почвы к кровле секциями. Длина разведочных канав по полотну определялась мощностью вскрываемого пласта, геометрией его встречи с дневной поверхностью, а также профессионализмом взрывников-проходчиков, геолога, ведущего документацию, и составляла от 5 до 100 метров; ширина разведочных канав по полотну 0,5-0,7 м., глубина 3-5 м. Средний объем разведочных канав существенно различается по объектам геологоразведки. Так, в условиях Кабактинского месторождения он равен 107 м3, а на мощных пластах Эльгинского месторождения около 300-400 м3.
На участках пологих, протаявших и хорошо дренируемых склонов в конце лета и осенью иногда проходились канавы механизированной проходки с помощью бульдозеров С-100, Т-130, Т-170. Причем, зачастую, бульдозерная выемка выполнялась в течение нескольких циклов, включавших вскрытие отложений до мерзлоты и паузу на оттайку мерзлых пород. Такие канавы, локализовавшие угольный пласт, как правило, требовали «добивки» с помощью взрывных работ. В ранневесеннее время на промороженных участках с пологим рельефом эпизодически выполнялась проходка канав в мерзлых породах с помощью мощной и дорогой бульдозерной техники с рыхлителем, типа «Катерпиллар». Канавы мехпроходки имели объем, как правило, многократно превышавший объемы соответствующих по длине канав БВР. Необходимо также отметить, что в сороковые-пятидесятые годы прошлого века использовались малообъемные канавы ручной проходки, которые исполнялись, преимущественно, методом на «пожог».
Второй вариант заключался в проходке поисковых и разведочных канав короткими линиями, секущими через 50-500 метров зону ожидания выхода целевого угольного пласта вдоль его простирания. Стандартно, для определения точного местоположения выхода пласта вначале проходилось две поисковых канавы. При этом первой из них, как правило, фиксировался шлейф сажистого материала, а второй устанавливалось положение кровли пласта. Затем, угольный пласт, вскрывался разведочной канавой и опробовался по описанной выше схеме. Соотношение объемов проходки канав с применением БВР и мехпроходки при прослеживании выходов угольных пластов существенно в пользу первого способа.
Как отмечалось в первой главе, за время изучения ЮЯУБ было пройдено почти 2 миллиона кубометров канав, то есть, углеразведчики должны иметь на выходах угольных пластов бассейна минимум 8 тысяч кондиционных пластосечений. Однако реально, число таких пла-стосечений, использованных для подсчета запасов, в несколько раз меньше. Анализ архивных и фондовых материалов по бассейну показывает, что существует две причины относительно низкой эффективности вскрытия выходов угольных пластов канавами.
Первая причина -это недостаточно уверенная локализация зон ожидания выходов
Рис. 2.1 Иллюстрации условий проходки канав при локализации и вскрытии угольных
пластов в Алдано-Чульманском угленосном районе ЮЯУБ
А) плужный канавокопатель на Налдинском месторождении, осень
Б) бульдозер С-100 на Кабактинском месторождении, лето
J*?***'
Продолжение Рис. 2.1 Иллюстрации условий проходки канав при локализации и вскрытии
угольных пластов в Алдано-Чульманском угленосном районе ЮЯУБ
В) проходка мощным бульдозером на участке Угольный ранней весной
Г) «идеальная» канава БВР для отбора технологических проб по пласту У4 Эльгинского
месторождения, горный отряд ОЯФМ ГГГП «Южякутгеология», 2000 год
угольных пластов под наносы, как на этапе, предшествующем постановке горных работ, так и в процессе их исполнения, особенно при работе по первому варианту. Это приводит к резкому увеличению числа «пустых» поисковых канав по отношению к числу разведочных, вскрывших уголь.
Например, в 1960 и 1961 годах Налдинской ГРП ЮЯКЭ по разведочной линии 34 Нал-динского месторождения длиной 7,35 километра пройдена 261 канава, а угольные пласты и углепроявления вскрыты в 25 канавах или в 9,6 % выработок. По разведочной линии 409 Ун-гринского месторождения длиной 1,85 километра пройдена 91 канава, а угольные пласты и углепроявления вскрыты в 3 канавах или в 3,3 % выработок. Нужно заметить, что и в последние годы массовой проходки канав в АЧУРе ЮЯУБ ситуация принципиально не изменилась. Так, Алдано-Чульманской ГРП ЮЯГРЭ в 1989 году по разведочной линии 8а длиной 2,47 км пройдено 68 канав. Из них угольные пласты и углепроявления вскрыты в 12 канавах или в 17,6 % выработок. Соответствующий показатель для Восточной площади в целом - менее 9 %.
Для всех приведенных примеров специальные исследования по предварительной локализации выходов угольных пластов, в том числе и геофизические, не проводились, поэтому места заложения канав определялись на основе геоморфологических, геоботанических и структурных признаков. Роль спецработ по предварительной локализации выходов угольных пластов будет особо оговорена в третьей главе.
Вторая причина - это недостаточно качественное вскрытие выходов угольных пластов канавами, которое не позволяет выполнить геологическое описание, замеры мощности и бороздовое опробование углей вполне корректно. Так, зачастую невозможно обеспечить кондиционное вскрытие углей в условиях водопритоков в канавы из-за таяния мерзлоты, верховодки и оплывания стенок, которые весьма характерны при проходке канав в период с конца мая по октябрь. Очень сложно качественно выполнять документацию и опробование канав при морозах в 30-40 градусов (декабрь-февраль). Относительно благоприятные условия вскрытия выходов угольных пластов канавами с БВР имеются максимум четыре месяца в году, когда канавы не «плывут», не заливаются водой и не слишком холодно. Кроме того, на качестве опробования сказывается и фундаментальная методическая некорректность — преимущественно субгоризонтальные угольные пласты опробуются преимущественно субгоризонтальными выработками, что часто усложняет оценки геометрии пласта и план бороздового опробования или ведет к ошибкам документации, при которых принимается «не добитая» канава. Соответственно, при подсчете запасов некондиционные пластосечения на выходах угольных пластов используются лишь как контурные точки не несущие информации о кондиционных параметрах углей или несущие неполную информацию.
Например, при подсчете запасов по детально разведанным угольным пластам Денисовского месторождения в 1982 году использовано только 217 кондиционных пластосечений,
вскрытых канавами. Тогда как на площади объекта пройдено 1883 канавы ручной проходки, 12 линий плужного канавокопателя, 127 канав мехпроходки и 759 разведочных канав с БВР. При подсчете запасов углей Сыллахского месторождения в 2002 году использованы 65 кондиционных пластосечений из канав по выходам угольных пластов, а на объекте в процессе поисковых и поисково-оценочных работ 1968-1984 годов пройдено 546 канав [148].
В ЮЯУБ никогда не проводились прямые официальные оценки качества опробования выходов угольных пластов путем проходки контрольных канав в точках кондиционных основных канав. Это следствие того, что роль канав в получении достоверной геологической информации по угольным месторождениям бассейна изначально недооценивалась, что нашло обоснование в работе И.С. Бредихина [133], который считал, что в условиях первых стадий разведки преимущественно шахтных полей можно обойтись минимальным уровнем изучения выходов угольных пластов.
Из многолетней практики геологоразведочных работ в бассейне [149] на качественном уровне известно о преимущественном завышении мощности угольных пластов в канавах, особенно в канавах ручной проходки. Известно, что в некоторых случаях неправильная интерпретация геометрии пластов приводила к росту оценок их нормальной мощности на метры [134]. В то же время оценки зольности угольных пачек пластов в канавах не столь противоречивы. По крайней мере, большая часть кондиционных пластосечений полученных в канавах часто, наряду с данными бороздового опробования штолен, использовалась для статистической оценки уровня избирательного истирания керна [44, 149]. То есть, в этом случае подразумевалось, что представительность использованных канавных пластосечений в целом соответствует уровню требований ГОСТ 9815-75.
Имеет смысл еще раз подчеркнуть основные геолого-методические недостатки традиционной канавной технологии, как способа локализации, вскрытия и опробования выходов угольных пластов в ЮЯУБ:
низкая геологическая эффективность использования физических объемов горных работ; на поисковой стадии только 3-17 % горных выработок вскрывают угольные пласты из-за ненадежной локализации зон ожидания выходов угольных пластов геоморфологическими, геоботаническими и структурными методами, а также недостаточной ассоциированности иных, в том числе геофизических методов индикации выходов пластов, в технологический процесс;
относительно низкий выход достоверных пластосечений угля в канавах из-за использования преимущественно субгоризонтальных разведочных выработок на преимущественно субгоризонтальных разведываемых объектах и из-за плохих условий вскрытия углей, проявляющихся «недобитыми», оплывшими и обводненными выработками, проконтролировать качество работ в которых, невозможно;
неопределенность и практическая неизученность реальной метрологии документации и опробования угольных пластов в канавах и отсутствие средств и способов инструментального контроля документации угольных пластов на выходах.
для получения субкилогаммового набора проб пластосечения выполняется колоссальная «вскрышная» работа по перемещению сотен тонн горных пород; весовой коэффициент вскрыши превышает 1000; принципиально, с точки зрения эргономики - это безумный способ получения результата, не оправдываемый ни дешевизной человеческих и материальных ресурсов, ни существовавшим ранее практически бесплатным природопользованием;
Серьезными являются недостатки канавной технологии внеметодического характера:
большая техногенная нагрузка на ландшафты при работе основным способом - с БВР на «выброс», при котором в зоне 30-40 метров вокруг канавы уничтожается растительный и животный мир, на естественное восстановление которого в условиях Южной Якутии нужны десятилетия, поскольку оперативная рекультивация последствий таких работ стоит во много раз больше самих работ; существенна, хотя более щадящая, проще компенсируемая техногенная нагрузка и при мехпроходке канав;
экономически целесообразная проходка канав с БВР требует относительно постоянного и гарантированного фронта работ; в современных условиях получения и исполнения геологоразведочных контрактов это практически не реализуемое условие;
проведение взрывных работ на рассредоточенных участках, требует серьезных и экономически затратных мер безопасности, особенно в последние годы, в связи с антитеррористическими мероприятиями; имеются серьезные ограничения по использованию БВР близ населенных пунктов и действующих производств, что критично для условий Южной Якутии;
Нельзя сказать, что недостатки канавной технологии вскрытия выходов угольных пластов в Южной Якутии не пытались частично компенсировать на базе напрашивавшихся решений. Ведь очевидно, что субгоризонтальные угольные пласты проще вскрывать и опробовать субвертикальными горными выработками, например, скважинами. Так, еще в 1960 году на участке Налымакит, вблизи электростанции шахты Угольной, где БВР были невозможны, проходку трех канав на выходе угольного пласта заменили бурением всухую трех скважин самоходной буровой установкой [136]. Но это единственный, достоверный эпизод целевого бурения скважин на выходе угольного пласта.
Учитывая имеющуюся бассейновую и отраслевую практику вскрытия и опробования углей скважинами и канавами уточним начальные требования к скважинной методике локализации, вскрытия и опробования выходов угольных пластов:
скважины на выходах угольных пластов должны проходиться мобильной буровой установкой на базе вездехода; необходимо гарантировать некавернозность, а также сквоз-ность скважин и безаварийность геофизических исследований в течение любого необходимого времени, без присутствия буровой на скважине;
необходимо обеспечить максимально высокий выход, желательно структурного, керна угольного пласта, поскольку полный спектр необходимых показателей качества может быть получен только путем прямого анализа вещества углей в лабораторных условиях;
получать достоверную информацию о мощности, строении и качестве угольного пласта следует, привлекая дополнительно геофизическое опробование скважин; причем последнее следует ориентировать, прежде всего, на изучение морфологических особенностей пластосечений, но при необходимости геофизическое опробование должно обеспечить и определение зольности углей;
методика должна обеспечивать точную локализацию угольного пласта в предварительно заданной зоне ожидания и уверенное определение элементов залегания пласта на его выходе.
Похожие диссертации на Методика локализации, вскрытия и опробования выходов угольных пластов в Южной Якутии
