Структурні перетворення пісковиків Донбасу і прогноз їх викидонебезпечності

Зазначені зони інверсії виділяють у своїй середній частині (зона позитивних значень кореляції) викидонебезпечний інтервал або стратиграфічний інтервал порід, у якому можливі газодинамічні явища. Виконані дослідження показали, що всі викиди порід Донбасу для вивчених районів, розташовані в межах виділеного інтервалу. Таким чином, були визначені верхня і нижня границі викидонебезпечного інтервалу для осадочних порід в умовах Донбасу, які мають фізичну основу і кількісні критерії. На дану розробку отриманий патент України № 5280.

Наведений метод дозволяє кількісно визначати ступінь катагенетичних перетворень і дозволяє встановлювати границі стадій цих перетворень. Виявлений збіг середньої стадії катагенезу й інтервалу викидонебезпечності порід не може бути випадковим, оскільки кожна стадія катагенезу відбиває не тільки ступінь перетворень, але і має комплекс чинників і властивостей, характерних для даної стадії. Викидонебезпечність порід варто розглядати як одну з властивостей порід середньої стадії катагенезу, принаймні для Донбасу.

Результати подальших досліджень показали закономірне зменшення значень коефіцієнту варіації і дисперсії діаметрів породоутворюючих зерен пісковиків з палеоглибиною. Звідси можна зробити висновок, що в результаті накопичення енергетичного потенціалу в пісковиках їх породоутворюючі зерна реагують на це не просто зменшенням діаметрів, а саме вирівнюванням структурних параметрів і зменшенням діапазону розмірів уламкових зерен. Цей процес закінчується формуванням кварцитоподібної структури з мінімальними для даних умов значеннями коефіцієнту варіації і дисперсії розмірів зерен порід.

Для порівняння структурних змін у більш значному інтервалі епігенезу гірських порід, були досліджені проби порід із Кривого Рогу. У магнетитових кварцитах із Криворіжжя встановлені ділянки з вторинними (новоутвореними) кварцовими зернами діаметром до 0,5 - 0,7 мм, в яких відзначені такі мікродеформації як бемівське штрихування, ірраціональне двійникування, пластини і пояси деформації.

Приведений матеріал дозволяє наочно простежити існуючу в природі циклічність у перетворенні мікроструктури речовини з палеоглибиною. Виходячи з фактичних даних, зазначимо, що катагенез являє собою повний замкнутий цикл перетворення осадочної породи в метаморфічну. Консолідація і зневоднювання на початковій стадії даного процесу призводять до формування значного обсягу пластичних мікродеформацій, які переводять структуру речовини в метастабильний стан (середній катагенез). Подальша жорсткість термодинамічних параметрів призводить, у кінцевому рахунку, до утворення нової структури і нової породи (метаморфічної). На цьому закінчується перший (умовно) етап перетворення структури і починається новий.

Розділ 6. Дослідження і розробка методу комплексного прогнозу викидонебезпечності гірських порід

Метод комплексного прогнозу викидонебезпечності порід базується на двох основних критеріях оцінки і прогнозу викидонебезпечності гірських порід. Це комплексний геологічний критерій ступеня викидонебезпечності порід "В" і гірничотехнічний критерій викидонебезпечності за даними поточного прогнозу. Раніше ці методи застосовувалися окремо, що знижувало надійність і достовірність прогнозної оцінки.

Метою методу комплексного прогнозу викидонебезпечності гірських порід є оцінка ступеня викидонебезпечності пісковиків по проектній трасі гірничої виробки.

Задача методу: визначити просторове положення прошарків пісковику по трасі планованої гірничої виробки; оцінити викидонебезпечність прошарків пісковику за пробами із забоїв гірничих виробок; визначити місця ведення поточного прогнозу викидонебезпечності порід і місця буріння додаткових свердловин, спрямованих нормально осі виробки при появі опукло-ввігнутих дисків в керні основної свердловини. Для рішення зазначених задач необхідно виконати комплекс геологічних і гірничотехнічних робіт.

За основу геологічні частини прогнозу прийнятий локальний прогноз, який базується на таких семи показниках: вміст кварцу уламкового; вміст слюдисто-глинистих мінералів; горизонтальний інтервал пакування; вміст кварцу регенераційного; середньоваговий розмір зерен; глибина залягання пісковику та коефіцієнт газонасиченості.

В результаті досліджень показник "кварц регенераційний" було замінено на показник "відносної порушеності кварцових зерен". Причина цього така: кількість кварцу регенераційного в пісковиках Донбасу коливається від 0,0 до 5 %, за рідким виключенням, а досягти необхідної для прогнозу точності при збільшенні в 60-100 крат, не можливо; регенераційні облямівки без бічного освітлення легко сплутати зі смужками Бема; регенераційний кварц пов'язаний функціональною залежністю з середнім діаметром породоутворюючих зерен. Останній факт не одноразово перевірявся і в роботі показана типова залежність вмісту кварцу регенераційного від середнього діаметру уламкових зерен на основі 39 проб пісковику з чотирьох районів: Красноармійського, Донецько-Макіївського, Центрального і Краснодонського. Отримане рівняння лінійної залежності має вигляд:

У = 21,5Х - 3,0 (2)

Значення показника "відносної порушеності" (Кп, %) змінюється від 0 до 100 %. Фізичний зміст його полягає в фіксуванні значних тектонічних напруг уламковими зернами. Вивчення двох груп проб за ступенем викидонебезпечності з об'ємом вибірки n = 62, дозволило встановити, що вони суттєво відрізняються за t - критерієм Стьюдента: tрозр. tтабл. = 47,6 2,04. Для можливості примінення його з іншими показниками було виконано ранжування за ступенем викидонебезпечності. Таким чином, рангам викидонебезпечності 0; 02; 04; 06; 08; 1,0 відповідають наступні інтервали значень відносної порушеності - менше 30 %; 30-40 %, 40-50 %, 50-60 %, 60-70 % і більше 70 %.

Показники - “середній розмір зерен породоутворюючих мінералів” і “горизонтальний інтервал пакування” - в локальному прогнозі викидонебезпечності визначаються як середньовагові величини. Порівняльна оцінка середньовагових і середньоарифметичних значень цих показників виконувалась в 43 зразках пісковиків різних літологічних типів і структурно-текстурних параметрів. Вона показала, що між середньоваговими і середньоарифметичними значеннями показників не має істотної різниці. Для показника “середній розмір зерен породоутворюючих мінералів” значення t - критерія Стьюдента 0,05 (t - табличне 2,02), F - критерія Фішера - 1,01 (F - табличне 1,67). Для показника “горизонтальний інтервал пакування” значення t - критерія Стьюдента - 0,13 (t - табличне 2,02). F - критерія Фішера - 1,04 (F - табличне 1,67).

Зважаючи на отримані результати, пропонується при оцінці комплексного критерія викидонебезпечності “В” користуватись середньоарифметичними значеннями цих показників, які визначаються в шліфах з кожної проби. Це спрощує підрахунки, економить час.

При використанні показника “слюдисто-глинисті мінерали” раніше не враховувались карбонати (первинні і вторинні), вугільний матеріал, детріт, уламки аргіліту, пелітовий матеріал. Всі перераховані породи і мінерали входять в поняття цементу пісковика. Для дослідження можливості застосування показника “цемент” - було відібрано 27 проб пісковиків з місць викидів і з викидобезпечних порід. Аналіз отриманих результатів показав, що показник “слюдисто-глинисті мінерали” має несуттєву розбіжність для викидонебезпечних і викидобезпечних пісковиків (tрозр. tтабл. = 1,7 2,05). Новий показник - “цемент” має суттєву розбіжність (tрозр. tтабл. = 18,8 2,05). Отримані дані доз-воляють користуватись показником “цемент” в комплексі з іншими показниками для визначення ступеня викидонебезпечності пісковиків. Для впровадження нового показника виконано його ранжування. Таким чином, рангам викидонебезпечності 0; 02; 04; 06; 08; 1,0 відповідають наступні інтервали значень показника “цемент”: 40 %; 40-34 %; 34-28 %; 28-22 %; 22-17 %; 17 %.

Показники “пакування зерен”, “коєфіцієнт газонасиченості” та “глибина” - залишились без змін.

Для визначення ваги кожного показника в комплексі виконаний дисперсійний аналіз. Виконані розрахунки показали, що показник “глибина” - має досить малу вагу в комплексі (менше 1 %). Зважаючи на це, а також на те, що глибина посередньо входить до прогнозу (згідно з “Инструкцией по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, пород и газа”, прогноз викидонебезпечності пісковиків виконується з глибини більше 600 м), цей показник був вилучений з комплексу, як малоефективний.

Виконані дослідження дозволили відібрати шість найбільш інформативних і надійних показників, які зведені в таблицю 6.1.

Комплексний критерій викидонебезпечності "В" за геологічними даними розраховують за формулою, складеною в результаті виконання дисперсійного аналізу і оцінки ваги кожного показника викидонебезпечності:

пісковик донбас квазікристал порода

“В” = 0,06В1 + 0,31В2 + 0,07В3 + 0,24В4 + 0,13В5 + 0,19В6 (3)

Таблиця 1 - Оцінка показників викидонебезпечності порід

Виконаний аналіз статистичних параметрів вказує на те, що значення розробленого критерія викидонебезпечності не мають протиріч з нормальним законом розподілу. Ступінь суттєвості розділення двох груп вибірки - небезпечних і безпечних за викидами порід перевірялась методом співставлення емпіричних і табличних значень t - критерія Стьюдента і F - критерія Фішера. В результаті виконаних розрахунків для нового комплексного критерія: tрозр. tтабл. = 6,43 2,04; Fрозр. Fтабл. = 2,33 1,52. Це вказує на суттєвість розділення двох виборок. Розрахунок t - критерія цих же виборок існуючим (локальним) методом показав меншу ступінь суттєвості розділення: tрозр. tтабл. = 5,37 2,04; Fрозр. Fтабл. = 1,10 1,52.

Розрахована надійність визначення викидонебезпечності новим комплексним методом дорівнює 95 % при вірогідності, прийнятій в геології, Р = 95 %. Для розділення проб дослідженої вибірки на безпечні і небезпечні, скористаємся прийнятим в статистиці положенням про те, що при прийнятій в геології вірогідності Р = 95 %, достовірними будуть значення, які укладаються в межі 2. Середньоквадратичне відхилення для вибірки викидонебезпечних порід складає 0,09, тоді середнє значення: Хсер. 2 = 0,7 0,18 = 0,52 0,88. Таким чином, встановлена границя, вище якої породи характеризують викидонебезпечну ситуацію з надійністю 95 % при вірогідності Р = 95 %. Зона нестійкості визначиться межами: 0,03 0,5 0,03. Оскільки значення більше 0,5 - викидонебезпечні, нас цікавлять значення в межах 0,47 0,50. Виходячи звідси, значення комплексного критерія викидонебезпечності менше 0,47 будуть характеризувати безпечну ситуацію, вище 0,5 - небезпечну, а значення, які попадають між 0,47 та 0,50, необхідно уточнювати, шляхом збільшення кількості проб.

У якості гірничотехнічного показника раніше застосовувався поточний прогноз, заснований на характері розподілу керну випереджаючих свердловин, на опукло-вігнуті диски. На основі виконаних досліджень ступеня ізотропії й анізотропії напруженого стану порід встановлено, що викидонебезпечність характеризується ізотропним розподілом напруг у масиві, для визначення якого необхідна додаткова свердловина, яку бурять нормально до осі виробки в місці максимального утворення дисків у керні основної випереджаючої свердловини. Додаткову свердловину бурять тільки при появі дисків в основній, а ступінь викидонебезпечності визначають за кількістю опукло-вігнутих дисків у двох свердловинах - основній і додатковій (патент України № 4835).

Водночас з геологічними роботами, у викидонебезпечних прошарках на шахті виконується буріння основних випереджаючих свердловин і, у випадку появи дисків, додаткові свердловини. Потім, на базі отриманих геологічних і гірничотехнічних даних, робиться висновок про викидонебезпечність і виконується контроль результатів комплексного прогнозу з періодичним бурінням випереджаючих свердловин у місцях виходу нових прошарків і місцях контрольного опробування.

Розділ 7. Комплексний прогноз викидонебезпечності гірських порід

Всі етапи розробки нового методу виконувалися відповідно до вимог, викладених в "Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, пород и газа" (1989 р.).

У світлі цих вимог розроблюваний метод спрямований на рішення двоєдиної задачі: максимальне підвищення надійності і достовірності прогнозу з мінімальними витратами на його виконання. З цих позицій, метод комплексного прогнозу спрямований на визначення ступеня викидонебезпечності порід на проектній трасі гірничої виробки; на істотне скорочення обсягів випереджуючого буріння в гірничих виробках; на скорочення заходів щодо виконання робіт у режимі струсового вибуху. Для рішення зазначених задач необхідно виконати такий комплекс геологічних і гірничотехнічних робіт.

Зібрати геолого-геофізичну інформацію по конкретному пісковику (або пісковикам) даної шахти. В неї входять: плани гірничих робіт, геологічні розрізи, каротажні діаграми, відомості про викиди і дискоутворювання на даній шахті і найближчих до неї, опис забоїв гірничих виробок, відбір проб із кожного виділеного в забої прошарку пісковика, який відрізняється за структурно-текстурними параметрами.

На наступному етапі виконується аналіз зібраного матеріалу, будуються геологічні розтини по проектній трасі кожної гірничої виробки, закладеної в пісковиках, виконується просторове виділення викидонебезпечних прошарків пісковиків, розраховується показник комплексного критерію викидонебезпечності "В" для всіх випробуваних прошарків, на основі отриманих значень петрографічних і колекторських показників викидонебезпечності.

Водночас з геологічними роботами бурять основні випереджаючі свердловини при розкритті кожного нового прошарку пісковику або цього ж прошарку, але на іншому горизонті, за результатами визначення просторового положення геологічних прошарків, але не рідше, ніж через 350 метрів. Додаткову свердловину бурять тільки в тому випадку, якщо керн основної свердловини ділиться на опукло-вігнуті диски або має кільцеві тріщини.

Оцінка показників викидонебезпечності виконується у відповідності з рангами викидонебезпечності згідно з табл. 6.1. При значеннях комплексного критерію викидонебезпечності "В" 0,47 породи відносяться до викидобезпечних. При значеннях критерію "В" від 0,47 до 0,49 необхідно додаткове опробування. При розмірі критерію "В" 0,50 пісковики є викидонебезпечними.

Результати прогнозу за геологічними даними ("В"), співставляються з даними утворення дисків у керні випереджаючих свердловин і фактичною викидонебезпечністю. Метод комплексного прогнозу викидонебезпечності досліджуваних порід виконують на підставі аналізу всіх розглянутих показників. Прогноз оформляють у вигляді "Висновків про викидонебезпечність..." і передають замовнику на шахту або об'єднання. Прогноз викидонебезпечності виконується ІГТМ НАН України і погоджується з головним інститутом в даній галузі в Україні - МакНДІ.

Результати визначення викидонебезпечності пісковику L1Sl1 на шахті ім О.Г. Стаханова методами локального і комплексного прогнозу при гірничо-експериментальних роботах свідчать про те, що в місцях опробування верхнього прошарку пісковик викидонебезпечний, а в місцях опробування нижнього прошарку пісковик за локальним методом має низьку ступінь викидонебезпечності, а за комплексним - викидобезпечний. Наявність викидів у верхньому прошарку і відсутність їх у нижньому, при відсутності дисків в керні додаткових свердловин в нижньому прошарку, свідчить про більшу достовірність і надійність комплексного методу.

Результати визначення викидонебезпечності пісковику d4Sd41 на шахті “Красноармійська-Західна-1” методами локального і комплексного прогнозу при гірничо-експериментальних роботах свідчать про те, що в місцях опробування середнього і нижнього прошарків пісковик викидобезпечний, незважаючи на наявність дисків у керні випереджаючих свердловин. Диски у керні додаткових свердловин відсутні. Викидів пісковику на шахті не зафіксовано. Слід відмітити, що за даними локального прогнозу значення викидонебезпечності середнього та нижнього прошарків цього пісковика розрізняються менше ("В"сер. = 0,33 і 0,30), ніж за даними комплексного прогнозу ("В" сер. = 0,25 і 0,18), що характеризує більш високу диференціацію значень комплексного прогнозу в порівнянні з локальним.

Результати буріння додаткових свердловин, спрямованих перпендикулярно до основних, у зонах розвитку дискоутворення, підтвердили їх експресність, ефективність і надійність при виконанні комплексу прогнозних робіт. Таким чином, роботи з розробки методу комплексного прогнозу показали надійність і ефективність його застосування на шахтах. Розроблюваний метод дозволить значно підвищити темпи проходки підготовчих виробок, за рахунок скорочення обсягів випереджуючого буріння і зняття режиму струсового вибуху, у місцях, де пісковики викидобезпечні.

ВИСНОВКИ

В основу дисертаційної роботи покладені якісні і кількісні закономірності структурних перетворень вуглевміщуючих пісковиків Донбасу, їх зв'язок з катагенезом і викидонебезпечністю порід. У роботі подане теоретичне обгрунтування значення структурних перетворень пісковиків, що дозволило виконати ряд нових науково обгрунтованих розробок у геології, які забезпечують вирішення важливої прикладної проблеми комплексного прогнозу викидонебезпечності порід на шахтах.

Основні наукові результати, висновки і практичні рекомендації полягають у нижчезазначеному.

1. Встановлена властивість пісковиків, уламкового кварцу, янтарю, кременя, вугілля, скла, гірського кришталю, епоксидної смоли, вапнякових порід, джеспілітів, глинистих сланців при певних термодинамічних умовах набувати правильну геометричну форму, як наслідок ізотропії енергетичного стану даної речовини або утворювати субпаралельні площини ковзання, в наслідок анізотропії енергетичного стану речовини.

Ця властивість може бути первинною, тобто, виявлятися в період формування даної речовини (клатрати газогідратів, конкременти кристалоподібної форми, елементарне вічко у пісках і інших породах) і вторинною, тобто, виявлятися в період вторинного перетворення або енергетичної еволюції речовини (луска з місць викидів пісковиків, луска із свердловин Криворіжжя, полігони морозних тріщин, окремість при синерезисі і епігенезі, включення в мінералах). Ієрархічність прояву цієї властивості не залежить від фізико-механічних властивостей речовини і характеризується сумірністю квазікристалів різних речовин, для певного рівня. Так, середні розміри квазікристалів вугілля, кварцу, янтарю, кременя, скла й інших речовин на мікронному рівні мають сумірні розміри: 2-6 мк (для першого рівня), 7-13 мк (для другого розмірного рівня).

2. Розроблений показник порушеності порід: коефіцієнт відносної порушеності - Кп., що виражається у процентах.

При катагенетичних перетвореннях основні навантаження відчувають породоутворюючі каркасні мінерали, для пісковиків Донбасу це зерна кварцу. Пластичні мікропорушення, що утворюються при цьому: смужки Бема, пластини і пояси деформації, ірраціональне двійникування, зім'ятий кварц, табличковий кварц, трансляційні смуги ковзання - надійно визначаються за допомогою методу бічного освітлення. Відносна кількість цих мікропорушень фіксується зазначеним показником, що відбиває ступінь тектонічних і геостатичних напруг і ступінь викидонебезпечності гірських порід. Даний показник базується на тому, що зі збільшенням напруг у породоутворюючих зернах буде збільшуватися і кількість структурних деформацій.

3. Визначені структурні і мінералогічні особливості вуглевміщуючих пісковиків Донбасу.

Отримані результати дозволяють зробити висновок, що в центральних районах Донбасу процеси розчинення і перевідкладення речовини проявилися значно слабіше в порівнянні з прибортовими районами; практично відсутні міжзернові сутурні і стилолітові контакти при наявності значної кількості всередині-зернових; пластичні мікродеформації встановлені як у породоутворюючих мінералах (кварц, плагіоклаз, польовий шпат), так і в мінералах цементу (вторинний карбонат, слюди); визначене загальне збільшення карбонатності, гідрослюд маг-нієвого складу на північний схід, кремнезему і кременистих новоутворень на південний захід Донбасу; найбільш характерні уламки порід південно-західної частини - це яшмоїди і слюдисті кварцити, тоді як для північно-східної частини характерними є діабази і ефузиви середнього й основного складу.

4. Катагенетичні перетворення порід Донбасу мають відмінні риси порівняно з іншими осадочними басейнами.

Основною причиною цього розходження є інверсія і викликані нею тектонічні напруги в породах Донбасу, які на ранньому етапі еволюції осадочних відкладів ущільнили їх до такого ступеня, що фільтраційна спроможність порід стала мінімальною, а процеси розчинення і перевідкладення не реалізувалися повною мірою. Саме з цієї причини для порід Донбасу характерний широкий розвиток пластичних мікродеформацій усіх раніше описаних видів, а великий вміст газів у порах послужив причиною міграції їх у мікродефекти, декорування і утворення смужок Бема, як найбільш поширеного виду з описаних мікродеформацій; став причиною розвитку значних обсягів закритої пористості в центральних районах Донбасу.

5. Виділені й описані всередині- і міжзернові сутурні і стилолітові контакти, як наслідок структурних перетворень порід.

Встановлена основна послідовність утворення зазначених структур: сітчаста зона пластичних мікродеформацій генеральний шов сутурний контакт підвищення тиску і, як наслідок, розвиток процесів розчинення і перевідкладення в зоні сутурного контакту стилолітовий контакт.

6. Розроблена методика визначення розмірів впливу геологорозвідувальних свердловин на викидонебезпечність для порід і вугілля.

На основі отриманих даних про утворення губчатої структури в вугіллі і породах, розроблена методика визначення розмірів впливу геологорозвідувальних свердловин на викидонебезпечність порід і вугілля. Встановлено, що дифузійно-фільтраційні процеси в породах слабші, ніж у вугіллі, а розмір зони впливу в породах (50-100 м) у 2-3 рази менший, ніж у вугіллі (150-200 м). Відсутність впливу тектонічних порушень на такий процес у породах визначає ізотропію цієї зони, а наявність впливу тектоніки на дегазацію в вугіллі визначає анізотропію зони впливу свердловини на викидонебезпечність.

7. Розроблений спосіб визначення верхньої і нижньої границь викидонебезпечності гірських порід.

Спосіб полягає в одержанні кількісних значень кореляційної залежності двох показників - пористості, що зменшується з палеоглибиною, і мікропорушеності, що збільшується з палеоглибиною. Залежність має вигляд півхвилі, а значення змінюються від -1 до +1 і знову до -1, визначаючи дві зони інверсії (перехід знака на протилежний), що вказують границі викидонебезпечності. Емпірично встановлений даний зв'язок має негативні значення у верхній частині стратиграфічного розрізу (приблизно до пісковиків, вміщуючих вугілля марки “Г”), нижче за розрізом зазначений зв'язок отримує позитивні значення (приблизно до пісковиків, що вміщують вугілля марок “ПС-П”), нижче за розрізом зв'язок знову повертається до негативних значень. Таким чином, встановленими зонами інверсії (перехід знака зв'язку на протилежний) виділяється інтервал із позитивними значеннями зв'язку пористості з пластичними мікродеформаціями, що характеризує потенційну викидонебезпечність пісковиків.

8. Вперше встановлене формування губчатої структури в уламковому кварці вуглевміщуючих пісковиків Донбасу на пізній стадії катагенезу.

Механізм даного процесу має такий вигляд. На ранній і середній стадіях катагенезу (орієнтовно в пісковиках, що вміщують вугілля марок Б-Ж) у кварцових зернах утворюються пластичні мікродеформації, куди проникає флюїд, який знаходиться у поровому просторі пісковиків під великим тиском. У процесі подальших катагенетичних перетворень відбувається трансформація мікродеформацій, але флюїд, що проникнув у площини пластичних мікродеформацій, залишається. Він розділяється на окремі газорідинні включення, розміром від одиниць до сотень мікрон (для зерен пісковиків Донбасу). Подальші збільшення температури і тиску призводять до диференціації цих включень з розмірами у десяті і соті мікрона, що простежується за допомогою електронного мікроскопу.

9. Встановлене загальне зменшення середніх розмірів уламкових зерен вуглевміщуючих пісковиків Донбасу, а також зменшення значень коефіцієнтів варіації і ступеня дисперсії зі ступенем катагенезу.

Зростання ступеня катагенезу відбувається паралельно зі збільшенням тиску і температур, що відбивається на структурі пісковиків. Відбувається не просто роздрібнення великих зерен, а саме вирівнювання структури, що призводить до зменшення коефіцієнтів варіації і дисперсії структури зі ступенем катагенезу. Відбувається плавний перехід пісковику в кварцито-пісковик із більш дрібною, стійкою і енергетично вигідною структурою.

10. Вдосконалений метод поточного прогнозу викидонебезпечності гірських порід за характером розподілу керну на опукло-вігнуті диски в випереджаючих свердловинах шляхом буріння додаткової свердловини.

Аналіз літературних, емпіричних і натурних даних, дозволив встановити, що викид породи відбувається в тому місці пісковику або його прошарку, де напруга розподілена ізотропно, а для визначення ізотропії потрібно не менше двох свердловин, закладених у тому самому прошарку порід і спрямованих перпендикулярно одна одній. Додаткова свердловина буриться тільки при утворенні дисків в основній свердловині, в місці появи найбільшої їх кількості.

11. На базі удосконаленого поточного і локального, розроблений комплексний прогноз викидонебезпечності гірських порід.

Запропонований новий показник - коефіцієнт відносної порушеності порід, замість показника - кварц регенераційний, що дозволяє враховувати фактор тектонічного впливу на породи і більш надійно розділяти небезпечні і безпечні за викидами пісковики.

Запропонований новий показник - "цемент пісковику", замість показника - "глинисто-слюдисті мінерали", що дозволяє враховувати раніше не використані складові цементуючої речовини і більш надійно і вірогідно розділяти породи на викидонебезпечні і викидобезпечні.

Удосконалені показники визначення середнього діаметру породоутворюючих зерен пісковиків та пакування зерен, що розраховувалися раніше як середньовагові і потребували більш значних витрат робочого часу.

Вперше виконаний дисперсійний аналіз усіх показників викидонебезпечності, що дозволило визначити ступінь впливу кожного параметру на комплексний критерій викидонебезпечності й удосконалити формулу розрахунку значень комплексного критерію викидонебезпечності гірських порід.

Новий метод об'єднує геологічні критерії з гірничотехнологічними, що дозволяє: підвищити надійність і достовірність прогнозу; визначати просторове положення і місця виклинювання викидонебезпечних прошарків, місця їх виходу, місця буріння випереджаючих свердловин; застосовувати надійний комплекс показників викидонебезпечності й істотно скоротити обсяги випереджаючого буріння; одержувати економічний ефект від зняття режиму струсового вибуху в безпечних за викидами породах.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Руководство по применению метода локального прогноза выбросоопасности горных пород по геолого-геофизическим данным // Минуглепром СССР. - 1990. - 36 с.

2. Лукинов В.В., Баранов В.А. Микронарушенность породообразующих минералов, как показатель напряженно-деформированного состояния пород // Уголь Украины, 1991. - №7. - С. 58-59.

3. Баранов В.А. Включения в кварце песчаников Донбасса, связанные со структурными микродеформациями // Минералог. ж. - 1993. - №6. - С. 80-83.

4. Лукинов В.В., Пимоненко Л.И., Баранов В.А. К вопросу о генезисе нарушений Волчанской синклинали Донбасса // Геологія і геохімія горючих копалин. - 1994. - №3-4 (88-89). - С. 33-38.

5. Баранов В.А., Осенний В.Я., Кириченко В.А. Образование квазикристаллов в горных породах в результате термодинамических процессов // Высокоэнергетическая обработка материалов. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1995. - Т.2. - С. 112-115.

6. Основы тектонического районирования Донбасса / В.В. Лукинов, В.А. Гончаренко, Л.И. Пимоненко, В.А. Баранов // Уголь Украины. - 1995. - №2. - С. 39-41.

7. Забігайло В.Ю., Баранов В.А. Пластичні деформації кварцу пісковиків Донбасу // Геол. і геох. горюч. копалин. - 1995. - №1-2 (90-91). - С. 33-45.

8. Лукiнов В.В., Пiмоненко Л.I., Баранов В.А. Спiввiдношення тектонiчної порушеностi вугiлля i порiд на мiкро- i макрорiвнi // Геологiя i геохiмiя горючих копалин. - 1996. - №1-2 (94-95). - C. 31-37.

9. Баранов В.А. Односторонняя (направленная) изотропия в горных породах, как следствие структурирования неравновесных систем // Высокоэнергетическая обработка. - Днепропетровск: РИК НГАУ. - 1997. - Вып.2. - С.138-141.

10. Баранов В.А. Условия формирования квазикристаллов // Сб. науч. тр. НГА Украины, №3, Т.2. Геология полезных ископаемых и технология разведки. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1998. - С. 218-222.

11. Баранов В.А. Структурные и минералогические особенности углевмещающих пород Донбасса // Придніпровський наук. вісник. Геол. і географія. - Днепропетровск: ДДУ, 1998. - №118 (185). - С. 39-48.

12. Баранов В.А. Причины и условия образования сутурных и стилолитовых контактов в минералах и горных породах // Придніпр. наук. вісник. Геол. і географія. - Днепропетровск: ДДУ, 1998. - №118(185). - С. 102-116.

13. Баранов В.А. Определение параметров дегазационной воронки в углях и углевмещающих песчаниках // Уголь Украины. - 1998. - №11. - С. 28-30.

14. Баранов В.А. Новый показатель степени катагенеза углевмещающих пород Донбасса // Геотехническая механика. - 1998. - №5. - С. 138-143.

15. Баранов В.А. Квазикристаллы в кварце песчаников Донбасса // Геотехническая механика. - 1998. - №10. - С. 35-40.

16. Баранов В.А. Определение выбросоопасности горных пород по данным опережающего бурения // Уголь Украины. - №8-9. - 1998. - С. 56-57.

17. Лукинов В.В., Баранов В.А., Маметова Л.Ф. Многоэтапность тектонических преобразований углевмещающих пород Донбасса по данным петрографии // Геотехническая механика. - Днепропетровск: - 1998. - Вып.10. - С. 51-55.

18. Лукинов В.В., Баранов В.А. Метод комплексного прогноза выбросоопасности горных пород Донбасса // Сб. научн. тр. НГА Украины, №6, Т.1. Геология полезных ископаемых. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999. - С. 102-104.

19. Баранов В.А. Дисперсионный анализ показателей выбросоопасности горных пород на шахтах Донбасса // Вісник НГАУ. - 1999. - №3. - С. 33-36.

20. Баранов В.А. Микродеформации углевмещающих песчаников Донбасса // Сб. научн. тр. НГА Украины. - №6, Т.2. Актуальные пробл. геол. и рац. природопольз. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999. - С. 25-29.

21. Баранов В.А. Определение нижней и верхней границ выбросоопасности горных пород // Уголь Украины. - 1999. - №2. - С. 38-40.

22. Баранов В.А. Эволюция структурных изменений песчаников Донбасса и их связь с выбросоопасностью // Геотехническая механика. - 1999. - №15. - С. 87-91.

23. Баранов В.А. Регенерационный кварц углевмещающих песчаников Донбасса // Вісник НГАУ. - 1999. - № 2 . - С. 43-45.

24. Баранов В.А. Метод экспрессной оценки выбросоопасности песчаников // Уголь Украины. - № 11-12. - 1999. - С. 60-62.

25. Баранов В.А. Дифференциация напряженного состояния горных пород Донбасса // Уголь Украины. - 2000. - № 4. - С. 24-25.

26. Баранов В.А. Особенности катагенеза песчаников Донбасса // Вісник НГАУ. - 2000. - № 4 . - С. 3-4.

27. Третьяков О.А., Вахалин Ю.Н., Баранов В.А. Экспериментальное моделирование и исследование микровыбросов крепких горных пород // Вісник НГАУ. - 2000. - № 4 . - С. 50-60.

28. А.с. 1752982 СССР, МКИ Е 21F5/00. Способ определения выбросоопасности горных пород / В.Е. Забигайло, В.В. Лукинов, В.А. Баранов (СССР). - 3 с. ил.; Опубл. 07.08.92, Бюл. №29.

29. Пат. 5280 Україна, МКИ E 21F5/00. Спосiб визначення меж викидонебезпечностi порiд / В.А. Баранов, В.В. Лукінов (Україна). - 5 с. ил.; Опубл. 28.12.94, Бюл. №7-1.

30. Пат. 5279 України, МКИ E 21 F5/00. Спосiб прогнозу викидонебезпечностi гiрських порiд / В.Ю. Забiгайло, В.В. Лукiнов, І.М. Подрезенко, В.А. Баранов (Україна); ИГТМ НАНУ - № 4942180/03; Заявл. 05.06.91; Опубл. 12.10.95; Бюл. №11. - 8 с.

31. Пат. 4835 Україна, МКИ Е 21 F 5/00. Спосiб визначення викидонебезпечностi гiрських порiд / В.В. Лукiнов, В.А. Баранов, I.М. Подрезенко, Л.А. Вайнштейн, В.С. Маєвський (Україна).-1с.; Опубл. 28.12.94, Бюл.№7-1.

32. Заявка № 98094842 Україна, МПК 6 Е 21 С 39/00. Спосіб встановлення ступеню катагенезу порід / В.А. Баранов (Україна). - Позит. ріш. Держпатенту України від 19.03.1999.

33. Баранов В.А. Закономерности образования выпукло-вогнутых дисков в керне опережающих скважин // Тр. V111 Междунар. научн. шк. “Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках”. - Симферополь: СГУ. - 1998. - С. 18-19.

34. Лукинов В.В., Баранов В.А. Прогнозирование выбросоопасности горных пород на шахтах Донбасса // Тр. междунар. конф. “Перспективы развития горных технологий в начале третьего тысячелетия”. - Алчевск: ДГМИ. - 1999. - С. 161-164.

35. Особистий внесок автора в работах, які написані в співавторстві: 1 - дослідження петрографічних показників викидонебезпечності, аналіз результатів; 2, 5, 7, 17, 18, 32 - ідея, виконання комплексних досліджень, аналіз результатів; 4, 6, 8 - виконання комплексних досліджень мікропорушеності пісчаників на мікрорівні, висновки; 26, 27, 28, 29 - ідея, комплексні дослід-ження, аналіз і висновки.

АНОТАЦІЯ

Баранов В.А. Структурні перетворення пісковиків Донбасу і прогноз їх викидонебезпечності. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора геологічних наук за спеціальністю 04.00.16 - “Геологія твердих горючих копалин”. Інститут геотехнічної механіки НАН України. Дніпропетровськ, 2000.

Дисертація присвячена встановленню природи структурних перетворень вуглевміщуючих пісковиків Донбасу і прогнозу їх викидонебезпечності. Дослідження показали, що в зернах кварцу вміщуючого вугілля пісковику, під впливом термобаричних умов формуються системи площин ковзання та кристалоподібні тіла, які в рамках кожного ієрархічного рівня мають сумірні розміри. Виявлені сутурні і стилолітові мікродеформації та губчата структура в зернах кварцу піс-ковиків Донбасу, розроблені нові та вдосконалені існуючі показники викидонебезпечності порід. Розроблений метод встановлення границь викидонебезпечності порід та ступеня катагенезу. Вирішена важлива прикладна проблема комплексного прогнозу викидонебезпечності пісковиків Донбасу на основі геологічних та гірничотехнічних даних.

Ключові слова: структурні перетворення, пластичні мікродеформації, пісковики Донбасу, катагенез, викидонебезпечність, прогноз.

АННОТАЦИЯ

Баранов В.А. Структурные преобразования песчаников Донбасса и прогноз их выбросоопасности. - Рукопис.

Диссертация на соискание ученой степени доктора геологических наук по специальности 04.00.16 - “Геология твердых горючих ископаемых”. Институт геотехнической механики НАН Украины. Днепропетровск, 2000.

Диссертация посвящена установлению природы структурных преобразований углевмещающих песчаников Донбасса и прогнозу их выбросоопасности. Исследования показали, что в зернах кварца и вмещающем уголь песчанике, угле, стекле, горном хрустале, глинистых сланцах, кремне, эпоксидной смоле, джеспилите, карбонатах под действием определенных термобарических условий формируются системы плоскостей скольжения и кристаллоподобные тела (квазикристаллы), имеющие сопоставимые размеры в пределах каждого иерархического уровня. Впервые описаны внутризерновые сутурные и стилолитовые микродеформации и губчатая структура в зернах кварца песчаников Донбасса, предложены механизмы их формирования. Впервые выполнено структурно-минералогическое описание песчаников Донбасса в разных геолого-промышленных районах. Установлено практически полное отсутствие эффекта Рикке и так называемых “бородатых зерен” в углевмещающих песчаниках Донбасса. Определено, что в центральных районах процессы растворения и переотложения вещества проявились значительно слабее в сравнении с прибортовыми районами. Комплекс пластических деформаций установлен как в породообразующих минералах (кварц, плагиоклаз, полевые шпаты), так и в минералах цемента (вторичный карбонат, слюды). Установлено общее увеличение карбонатности, гидрослюд магниевого состава на северо-востоке, кремнезема и кремниевих новообразований - на юго-западе Донбасса. Наиболее характерные обломки пород юго-западной части - яшмоиды и слюдистые кварциты, тогда как для северо-восточной части характерными являются диабазы и эффузивы среднего и основного состава. Установлен факт уменьшения размеров обломочных зерен и выравнивания структуры песчаников Донбасса с палеоглубиной. Разработан метод установления нижней и верхней границ выбросоопасности песчаников Донбасса и степени катагенеза на основе сопоставления значений коэффициента относительной нарушенности и открытой пористости. Показано, что для условий Донбасса, стратиграфический интервал среднего катагенеза находится в метастабильном состоянии и является потенциально выбросоопасным. Установлено влияние степени анизотропии напряженного состояния горных пород на выбросоопасность, что позволило усовершенствовать текущий метод прогноза выбросоопасности песчаников Донбасса по формированию выпукло-вогнутых дисков в керне опережающих и дополнительных скважин, последние бурятся нормально опережающим в зоне формирования максимального количества дисков. Разработаны новые (“коэффициент относительной нарушенности”, “цемент”) и усовершенствован расчет действующих показателей (“среднего размера зерен”, “упаковки зерен”) выбросоопасности горных пород. Впервые выполнен дисперсионный анализ геологических показателей выбросоопасности пород, на основании которого выбрано шесть наиболее информативных и надежных показателей выбросоопасности. Разработана новая формула расчета комплексного критерия выбросоопасности горных пород. Решена важная прикладная проблема комплексного прогноза выбросоопасности песчаников Донбасса на основе геологических и горнотехнических факторов.

Ключевые слова: структурные преобразования, пластические микродеформации, песчаники Донбасса, катагенез, выбросоопасность, прогноз.

SUMMARY

Baranov V.A. Structural transformations of Donbass sandstones and prognosis their outburstness.

Ph. D's thesis on specialty 04.00.16 “Geology of solid fuels.” Institute of geotechnical mechanics NAS of Ukraine. Dnepropetrovsk, 2000.

The thesis has been devoted to determination of the nature of structuraltransformations of coalmeasure sandstones of Donbass, of the relations of this process with the katagenesis and outburstness. The studies showed that in the grains of the quartz and in the coalmeasure sandstones, under the action of the thermobaric conditions, sistems of slideplanes and crystallike bodies, having comparable sizes in the limits of the each hierarchial level, are formed. Sutural and stylolitic microstrains and spongeous structures in the quartz grains of the sandstones have been found; new indexes of outburstness of rocks have been developed and used indexes have been improved. A method of defining the outburstness limits and the degree of the katagenesis has been developed. An important ahhlication problem of a complex prognostication of the Donbass sandstone outburstness on the basis of geological and technical data has been solved.

Key words: Donbass sandstones, outburstness, structural transformations, plastic microstrains, katagenesis, prognostication.

Размещено на Allbest.ru