Введение к работе
Актуальность темы. Перспективы развития угольной промышленности Донецкого бассейна связаны с освоением глубоких горизонтов, что приводит к усложнению технологических процессов и ухудшению безопасности условий труда. Это объясняется тем, что работы выполняются в сложных горногеологических условиях в замкнутом пространстве, где происходят не всегда прогнозируемые явления: внезапные выбросы пород, горные удары, суфлярные выделения метана, обрушения.
Выброс породы и газа - сложный процесс разрушения газонасыщенного массива, сопровождающийся выделением значительных количеств метана, отбросом породы, образованием полостей, превышающих сечение выработки. Выделившийся метан создает угрозу взрыва, вследствие опрокидывания воздушных вентиляционных потоков и резкого повышения загазованности выработок. Взрывной волной разрушается крепь и горное оборудование. Образовавшиеся полости нужно закладывать с применением необходашых дтя этого материалов. Все это приводит к значительным затратам на ликвидацию последствий данного явления.
В настоящее время разработаны и применяются на шахтах текущий прогноз - проводимый непосредственно в забоях горных выработок и локальный -по геолого-геофизическим данным. Ведение текущего прогноза по всей длине выработки экономически невыгодно, а наличие выпукло-вогнутых дисков в керне опережающих скважин не всегда характеризует выбросоопасную ситуацию. Локальный прогноз не выгодно применять при проходке коротких выработок и уклонов. Разработка метода комплексного прогноза на основе локальной и текущей оценки выбросоопасности горных пород сдерживается недостаточной изученностью структурных преобразований песчаников в процессе катагенеза, недостаточной обоснованностью выделения гратпщ выбросоопасности и их связи с катагенезом, недостаточной изученностью распределения напряженного состояния пород и влияния этих свойств на выбросоопасность.
Исходя из вышеизложенного, исследования структурных преобразований песчаников Донбасса в процессе катагенеза, позволяющие обосновать локальные и региональные закономерности выбросоопасности и разработать метод комплексного прогноза выбросоопасности горных пород, применение которого повышает эффективность и безопасность горных работ на шахтах, является актуальной задачей.
Связь работы с научными программами, планами н темами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с плановыми исследованиями по важнейшей научной тематике Института геотехнической механики НАН Украины, на основе договора А 219202000 с Минуглепромом Украины. Институту геотехнической механики НАН Украины было поручено решение комплексной
проблемы: "Разработать системы контроля, способы и технологии управления состоянием предельно напряженных выбросоопасных горных пород и углей". В данный комплекс входит работа: А 219202160 "Разработать комплексный метод прогноза, основанный на локальной и текущей оценке выбросоопасности горных пород", ответственным исполнителем которой является автор. Результаты работ по исследованию выбросоопасности для разработки метода комплексного прогноза вошли составной частью в данную работу.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является установление особенностей структурных преобразований песчаников Донбасса, связи этого процесса с выбросоопасностью и разработка на этой основе теоретических положений и практических критериев метода комплексного прогноза выбросоопасности горных пород.
Для достижения поставленной цели нужно решить ряд задач:
- установить закономерности структурных преобразований песчаников
Донбасса и определить их влияние на катагенетические изменения;
установить региональные структурно-минералогические особенности угле-вмещающих песчаников Донбасса, возникающие в процессе катагенетических преобразований и тектонических напряжений;
установить стратиграфические закономерные изменения структурных преобразований песчаников Донбасса и их связь с выбросоопасностью пород и катагенезом;
разработать научно обоснованный метод комплексного прогноза выбросоопасности с учетом установленных закономерностей структурных преобразований пород.
Идея работы заключается в определении закономерных связей структурных преобразований углевмещающих песчаников с выбросоопасностью горных пород.
Методы исследования. Использовались как традиционные в геологии методы: петрографические, литолого-фациальные, математические, метод аналогий, методы структурной геологии, так и разработанные автором: метод определения относительной нарушенное пород, метод определения границ выбросоопасности пород и стадий катагенеза, метод определения зоны влияния скважин на выбросы в углях и породах, метод качественного определения анизотропии напряженного состояния пород в горном массиве, метод комплексного прогноза выбросоопасности песчаников Донбасса. Все разработанные методы имеют связь со структурными преобразованиями пород.
Научные положения, представленные к защите:
-
Структурные преобразования являются одним из основных результатов катагенеза песчаников Донбасса.
-
Катагенетические преобразования совместно с тектоническими напря-
женнями более значительно уплотнили песчаники Донбасса относительно других бассейнов, что привело к увеличению закрытой пористости в них, возникновению внутризерновых и межзерновых сутурных, стилолитовых и целого комплекса других пластических деформаций, к слабому развитию процессов регенерации и коррозии, отсутствию эффекта Рикке, формированию губчатой структуры в породообразующем кварце.
-
Количественный показатель структурных преобразований и тектонических напряжений, выражающийся коэффициентом относительной нарушенно-сти кварца песчаников, в сочетании со значениями открытой пористости этих же пород, определяют границы выбросоопасности песчаников.
-
Основой метода комплексного прогноза выбросоопасности горных пород является оценка геологических показателей выбросоопасности и степени анизотропии напряженно-деформированного состояния горного массива.
Научпая новизна полученных результатов работы состоит в том, что:
- установлено свойство пород (песчаники Донбасса, джеспилиты Кривого
Рога, трепелы, глинистые сланцы Крыма), минералов (обломочный кварц пес
чаников Донбасса, галит, горный хрусталь, кремень), минералоидов (уголь, ян
тарь), искусственных веществ (стекло, эпоксидная смола), образовывать систе
мы плоскостей скольжения субпараллельные по направлению и с соизмеримы
ми расстояниями между ними при анизотропном распределении энергетичес
кого воздействия и кристаллоподобные тела, соизмеримые на разных иерархи
ческих уровнях, при изотропном распределении энергетического воздействия;
в углевмещаюших песчаниках Донбасса установлено формирование комплекса пластических микродеформаций (внутризерновых и межзерновых сутуров и стилолитов, губчатой структуры, изогнутых и S - образных плоскостей деформаций, пламеневидной структуры), возникающих и преобразующігх-ся под действием прогрессивных катагенетических и тектонических процессов;
установлено общее увеличение карбонатности, гидрослюд магниевого состава, обломков эффузивов и диабазов в северо-восточных районах и кремнезема, кремнистых новообразований, обломков яшмоидов и слюдистых кварцитов в юго-западных районах Донбасса;
установлено уменьшение средних размеров обломочных зерен углев-мещающих песчаников Донбасса, а также уменьшение значений коэффициентов вариации и степени дисперсии этих размеров со степенью катагенеза;
установлена степенная корреляционная связь значений открытой пористости со значениями коэффициента пластических микродеформаций обломочных зерен, имеющая две точки инверсии, в которых происходит изменение знака этой связи с отрицательного на положительный и с положительного на отрицательный, гоменение свойств песчаников Донбасса на качественном уровне и степени ее выбросоопасности;
установлено закономерное изменение степени выбросоопасности пород в зависимости от степени анизотропии распределения напряженно-деформиро-
ванного состояния в горном массиве на локальном уровне.
Практическое значение полученных результатов состоит в том, что:
разработан показатель микродеформаций горных пород: коэффициент относительной нарушенности, характеризующий степень структурных преобразований и тектонических напряжений, а также степень выбросоопасности горных пород;
разработана методика определения региональных границ выбросоопасности горных пород и степени катагенетических преобразований;
разработан метод определения степени анизотропии напряженно-деформированного состояния горного массива;
разработан метод определения зоны влияния геологоразведочных скважин на выбросоопасность углей и углевмещающих пород;
разработан метод комплексного прогноза выбросоопасности горных пород на основе рационального комплекса геологических и горнотехнологических критериев выбросоопасности.
Реализация работы в промышленности:
проведена экспериментальная проверка метода комплексного прогноза выбросоопасности горных пород в горных выработках шахт "Красноармейская-Западная-1" и им. А.Г. Стаханова ПО "Красноармейскуголь", показавшая надежность, достоверность и экономическую эффективность применения разработанного метода прогноза;
метод комплексного прогноза внедрен на шахте им. А.Г. Стаханова, при выполнении прогноза выбросоопасности песчаника LiSlb
геологоразведочным организациям Государственного Комитета по геологии и использованию недр Украины и Минуглепрома Украины переданы и рекомендованы для применения методика определения коэффициента относительной нарушенности пород, методика определения региональных границ выбросоопасности горных пород и методика определения степени изотропии напряженно-деформированного состояния горного массива.
Достоверность и надежность научных положений и выводов подтверждается необходимым и достаточным объемом результатов экспериментальных исследований и фактических данных, научной обоснованностью методического подхода к анализу полученных экспериментально и имеющихся в литературе фактов, а также сходимостью результатов определения степени напряженного состояния горного массива и степени его анизотропии с результатами других методов на разных иерархических уровнях.
Личный вклад соискателя. Автором диссертации обоснована идея и научно-практическое направление в решении проблемы комплексного прогноза выбросоопасности песчаников Донбасса; определены цель и задачи исследования; сформулированы научные положения, которые выносятся на защиту, выводы и рекомендации; установлены закономерности структурных преобразований песчаников на площади и в стратиграфическом разрезе Донбасса; определены
условия формирования кристаллоподобных тел и систем плоскостей скольжения; установлены внутризерновые сутурные и стилолитовые микродеформации, образование губчатой структуры в зернах кварца, уменьшение средних размеров, значений коэффициентов вариации и степени дисперсии обломочных зерен песчаников Донбасса с палеоглубиной; разработан показатель относительной нарушенности горных пород; разработаны методики количественной оценки границ выбросоопасности пород, степени катагенеза, степени анизотропии напряженно-деформированного состояния горного массива, зоны влияния геоло-горазведывательных скважин на выбросоопасность углей и пород; разработан научно обоснованный метод комплексного прогноза выбросоопасности пород.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы на отдельных этапах ее выполнения докладывались на заседаниях Всесоюзной научной школы в Симферопольском государственном университете (г. Симферополь, 1990,
-
гг.), на Всесоюзном минералогическом семинаре в Институте геологии КомиНЦ (г. Сыктывкар, 1989, 1992 гг.), на Всесоюзной Научной конференции вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов (г. Москва, 1991 г), на Всесоюзных конференциях в ИПТИ НАНУ (г. Львов, 1991, 1992, 1995 гг.), на научных конференциях в НГА Украины (г. Днепропетровск, 1995, 1997, 1998, 1999, 2000 гг.), на международной конференции в ДГМИ (г. Алчевск,
-
г.), на научных семинарах отдела геологии угольных месторождений больших глубин ИГТМ НАН Украины (г. Днепропетровск, 1985 - 2000 гг).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 43 научных рабо- тах, вышедших после защиты кандидатской диссертации, го них 21 без соавторов. Руководство в соавторстве - 1; статей в научных журналах - 16; статей в сборниках научных трудов - 8; авторских свидетельств и патентов - 5; статей депонированных в ВИНИТИ и ДНТБ Украины -3; материалов и тезисов научных конференций - 10. Таким образом, в специализированных изданиях опубликовано 24 работы, включая 3 патента, (из них 15 без соавторов).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 7 разделов, изложенных на 295 стр. машинописного текста, содержит 33 таблицы, 46 рисунков, 287 библиографических названий, 10 приложений.
Автор благодарен научному консультанту академику НАН Украины, доктору геолого-минералогических наук, профессору |В.Е. Забигайлоі за постоянное внимание, помощь и поддержку оказанную им при выполнении работы.
Научные консультации и практическую помощь в выполнении исследований, реализации научных идей, их критической оценке и проверке на разных этапах выполнения оказывали доктор геолого-минералогических наук В.В. Лу-кинов, кандидаты геолого-минералогических наук С.С. Козлов, В.А. Гончаренко, Л.И. Пимоненко, Н.А. Пимоненко, И.В. Дудок, О.Е. Иванцив, инженер Л.Ф. УІаметова, за что автор им глубоко признателен.