Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Трещиноватость осадочных пород и её гидрогеологическая интерпретация (на примере карбона Восточного Донбасса)
ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Трещиноватость осадочных пород и её гидрогеологическая интерпретация (на примере карбона Восточного Донбасса)"

Р--

оо

ростовским государственный университет

О

^^ На правах рукописи

I ~

Иакляк Валерий Федорович

УДК 551.497:622.52

ТРЕГЗгаОВАТОСТЬ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД И ЕЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ (НА ПРИМЕРЕ КАРБОЯА ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА)

Специальность 04.00.06 "Гидрогеология"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Ростов-на-Дону 1997

Работа вшхолвева на кафедре гидрогеологии, инженерной и нефтегазовой геологии Ростовского государственного университета

Баучны& руководитель: кандидат геолого-шшералогических наук, доцент

i г- ii .пдндррнупп.

Консультант: доктор географических наук, кандидат геолого-минералогических наук, действительный член Ныойорской академии наук Ю.А.Федоров.

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор В.Г.Попов; кандидат геолого-ыинералогических наук, старший научный сотрудник А.В.Мохов

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный университет .

У/ 1 - - /"'/ -Зас^та диссертации состоится: * /х1997 г. в "

* $ " ч. на заседании диссертационного Совета К.0$3.52.10 при Ростовском государственном университете по адресу: 344090, Ростов-на-Дону, ул.Зорге, 40, геолого-географический факультет, ауд.202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного университета (344006, Ростов-на-Дону, ул.Пушкинская, 148).

Автореферат разослан

1997 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

К.063.52.10 кандидат геол.-мин.наук

Введение

Актуальность томи. В работе обобщаются результаты многолетних исследований, посвященных актуальной проблеме гидрогеологии месторождений твердых полезных ископаемых - формированию и изменчивости коллекторских свойств трещиноватых пород и их водоносности, определяющих гидрогеологические условия разработки.

Из-за невыясненности закономерностей распространения трещиноватости в осадочных породах не получают научно обоснованных ответов многие теоретические и практические вопросы, возникающие при разведке и разработке месторождений, гидротехническом строительстве и др. Слабая изученность формирования водоносности трещиноватых пород и движения подземных вод к дренирующим их горным выработкам сдерживает дальнейшее развитие гидрогеологии месторождений твердых полезных ископаемых, и в частности совершенствование методов прогнозирования водопритоков в угольные шахты. Решение этих проблем позволило бы более обоснованно определять граничные условия водоносных трещиноватых пластов, разработать надежные аналитические и более уверенно применять гидродинамические методы и моделирование для прогнозирования водопритоков, оценки эксплуатационных запасов подземных вод и т.д.

Еще не решена окончательно проблема определения мощности зоны дренажа, образующейся над очистными горными выработками, и поступления подземных вод в шахты через техногенные трещины этой зоны. Поэтому разработка простых и недорогих методов определения границ зоны дренажа имеет огромное значение для установления глубин безопасного ведения горных работ под водными объектами, проектирования гидрогеологических исследований при разведке, прогнозирования водопритоков в горные выработки.

Глазная цодь работы - выявление закономерностей формирования водоносности угленосной толщи антрацитовых районов Восточного Донбасса и основных факторов,, определяющих водопритоки в шахты.

Основные »адачя исследований:

1. Разработка мет одов изучения естественной трещиноватости в горных выработках шахт и толще ненарушенных пород, а также искусственных (техногенных) третин в подработанном массиве.

2. Изучение закономерностей изменения интенсивности естественной трещиноватости, и прежде всего таких важнейших для гидрогеологии ее параметров, как густота и раскрытие трещин.

3. Разработка методики определения мощностей зон искусственной тре-щиноватости и дренажа, образующихся над выработанным пространством шахт.

4. Выявление роли естественной трещиноватости и межзерновой пористости в формировании водоносности пород карбона.

5. Установление связи гидрогеологических параметров/ характеризующих водоносность пород карбона, с параметрами трещиноватости.

6. Выявление основных факторов, определяющих водопритоки в шахты.

Влучяшя шож*»жж:

1. Установлены закономерности изменения густоты, раскрытия трещин, трещинной пустотности от состава и физико-механических свойств пород, интенсивности их постдиагенетических изменений.

2. Установлена связь раскрытия водопроводящих трещин с величиной геостатического давления и ориентировкой трещин к вектору этого давления в основных литологических разностях пород.

3. Установлена связь гидрогеологических параметров пород-коллекторов с величиной раскрытия трещин.

4. Выявлена зависимость мощности зоны искусственной трещиноватости, образующейся вследствие сдвижения горного массива, от вынимаемой мощности угольного пласта и способа управления кровлей, а также разработан метод определения мощности зоны дренажа над очистными горными выработками шахт.

5. Обоснована вертикальная зональность водоносности пород и водопри-токов в шахты.

6. Выявлены некоторые ранее не учитывающиеся факторы, существенно влияющие на притоки в горные выработки, и предложены уравнения множественной корреляции для прогнозирования общих водопритоков в шахты.

Практическая акачкмостъ к реализация результатов ксслодоваях*. Выполненные научные и методические разработки используются в настоящее время и могут быть применены при:

- проектировании геологоразведочных работ на уголь (в частности, результаты исследований и рекомендации использованы в следующих методических и нормативных документах: Методические указания по изучению и прогнозированию гидрогеологических условий при разведке

угольных месторождений Донецкого бассейна (1979), ^Инструкция по изучению и прогнозной оценке гидрогеологических условий при разведке угольных месторождений Донецкого бассейна" (1983), ^Инструкция по изу-

чению и прогнозированию гидрогеологических условий угольных месторождений при геологоразведочных работах" (1985));

- определение мощности зоны дренажа будущей шахты и водоносных горизонтов, способных обводнять горные выработки;

- установлении шахт-гидрогеологических аналогов;

- прогнозировании общих водопритокоо в шахты;

- обосновании оптимальной глубины ликвидационного тампонажа разведочных на уголь скважин;

- обосновании и проектировании природоохранных мероприятий, связанных в подземной разработкой угольных месторождений (борьбы с водоприто-ками, мощности очистных сооружений, возможности захоронения шахтных вод в пределах площади отвода шахты и др.).

Апробация работа. Отдельные результаты исследований изложены в шести крупных отчетах по хоздоговорным научно-исследовательским работам, докладывались на Второй научной конференции молодых ученых Ростовской области (1968), на Всесоюзном совещании геологов угольной промышленности... (1971), на научной сессии ""Проблемы геологии и полезные ископаемые Северного Кавказа, Донецкого бассейна, Нижнего Дона и Нижней Волги" (1969), на геологической конференции "Лутугинские чтения" (1969).

Наиболее полно результаты исследований изложены в указанных выше методических указаниях, инструкциях и "Справочнике по охране геологической Среды" (1996) . За создание (в качестве соавтора и члена редколлегии) "Инструкции по изучению и прогнозированию гидрогеологических условий угольных месторождений при геологоразведочных работах" в 1988 г. награжден серебряной медалью ВДНХ СССР.

Всего по теме диссертации опубликовано 18 работ общим объемом 23,3 п. л.

Фактически* матерная». Автором проведена съемка трещиноватости и во-допроявлений в 20 шахтах, 7 карьерах, во многих обнажениях (290 станций наблюдения) Восточного Донбасса, в нескольких шахтах Центрального и Юго-Западного Донбасса (Украина), обработаны материалы съемки трещиноватости, выполненной по нашей методике шахтными геологами в этих частях бассейна. При обобщениях мы использовали также материалы свыше 330 опубликованных и фондовых литературных источников, фактические данные угольных шахт ПО "Ростовуголь" и Туковуголь", ГГП "Южгеология", Шах-тинской геологоразведочной экспедиции, экспедиции "Ростовуглеразведка" МУП, Шахтинской геофизической партии, институтов ШахтНИУИ и Ростовги-прошахт, собранные с участием автора группой шахтной гидрогеологии при

кафедре гидрогеологии и инженерной геологии РГУ. В частности, в анализ включены сведения о 3200.определениях коллекторских свойств пород карбона Восточного Донбасса, поглощениях промывочной жидкости в 3250 скважинах, расходо- и резистивиметрических исследованиях по 250 скважинам, данные, помимо указанных, по трещиноватости и водопроявлениям в шахтах антрацитовых районов Юго-Западного и Центрального Донбасса, многолетняя документация общешахтных водопритоков, основные эксплуатационные параметры по 44 шахтам Восточного Донбасса и по 79 шахтам антрацитовых районов Украины и др.

Работа над данной проблемой выполнялась под непосредственным руководством кандидата геолого-минералогических 'наук, доцента Г.П.Панасенко. Автору и его коллегам в разное время давали ценные советы доктора геолого-минералогических наук. В.С.Попов (Институт геологии АН УССР), И.А.Скабаланнович (ИМР УССР), кандидаты геолого-минералогических наук И.А.Очеретенко и Я.И.Зарубинский (ВНИГРИуголь), И.М.Ксенда (Укруглегеология). На заключительном этапе подготовки диссертации по отдельным рассматриваемым в ней вопросам автора консультировал доктор географических наук Ю.А.Федоров. Математическую обработку первичных материалов выполняла научный сотрудник Л.К.Дудкевич. Всем им, а также коллегам, принимавшим участие в сборе и обработке материалов, автор искренне глубоко признателен.

Содержание работы и защищаемые положения

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Текст (объемом 155 страниц) сопровождается 18 таблицами и 15 приложениями, иллюстрируется "75 рисунками. В списке использованной литературы 329 наименований.

В первой главе дается обзор взглядов на происхождение трещин, выделение их генетических типов, на образование тектонических трещин и их связь с разрывными и пликативными структурами. Рассмотрены разрозненные литературные данные о густоте и раскрытии трещин и представления о факторах, определяющих эти параметры.

Во второй главе кратко описаны и оценены методы, применяющиеся для изучения как естественной трещиноватости горных пород (геологические, геофизические и гидродинамические), так и искусственной. Основное внимание уделено описанию примененных методов. Естественная трещиноватость

исследовалась методами съемки (в обнажениях и горных выработках) и оценки ее интенсивности по поглощениям промывочной жидкости в скважинах (в ненарушенном массиве); искусственная трещиноватость в подработанном массиве - по поглощениям промывочной жидкости в скважинах, вызванным пересечением ими погашенных горных выработок. Изложена и методика обработки полученных данных.

В третьей главе описаны генетические типы трещин, наиболее распространенные в породах карбона, и выявленная изменчивость основных их параметров - густоты и раскрытия. При этом основное внимание уделено трещинам, имеющим наибольшее гидрогеологическое значение: среди тектонических - региональным и локальным отрыва и скалывания, среди нетектонических - трещинам напластования, а среди искусственных - гравитационным, образующимся в зоне сдвижения подработанного массива.

В четвертой главе рассматриваются закономерности изменения с глубиной важнейших в гидрогеологическом отношении параметров трещиноватости (в совокупности) - раскрытия и трещинной пустотности, а также изменение межзерновой пористости в зависимости от литологического состава, характера и степени постдиагенетических изменений горных пород и ее гидрогеологическое значение.

В пятой главе дается общая характеристика водоносности карбона антрацитовых районов Восточного Донбасса и сопоставляются изменения с глубиной гидрогеологических параметров, характеризующих водоносность угленосной толщи (коэффициентов фильтрации, удельных дебитов, водопри-токов в шахты и коэффициентов водообильности последних), с изменением раскрытия трещин и частоты вызываемых ими поглощений промывочной жидкости при бурении скважин. На основании выявленных закономерностей обосновываются вертикальная зональность водоносности пород карбона, фильтрационная анизотропия и неоднородность водоносности трещиноватых пород. Приводятся результаты проверки достоверности прогнозов общих водоприто-ков в шахты по эмйирическим формулам и выявления связи этих водоприто-ков с девятью основными (в том числе и с тремя новыми) естественными технологическими факторами. Для прогнозирования предложены новые уравнения множественной корреляции.

К защите выдвинуты пять положений, формулировки и обоснования которых приводятся ниже.

Полржаяя« 1. В условиях угленосных Оассейнов для изучения закономерностей изменения интенсивности развития естественной трещиноватости вообще и таких важных в гидрогеологическом отношении параметров

трещин, как их густота и раскрытие, рекомендуется в качестве основных применять два метода: прямой - съемку трещиноватости в оСнахениях и горных выработках - и косвенный - по поглощениям промывочной жидкости в скважинах при их бурении. Второй метод эффективен также при изучении мощностей зон развития искусственной трещиноватости и дренажа, формирующихся над выработанным пространством.

Методика изучения естественной трещжиоватости в оСнахениях достаточно хорошо разработана и подробно освещена в литературе (Н.И.Кригер, 1951; Е.Н.Пермяков, 1951, 1953; А.Е.Михайлов,1956; Л.И.Нейштадт, 1953, 1957; и др.). Методика съемки в подземных горных выработках как способ исследования коллекторских свойств трещиноватых пород практически отсутствовала. Причинами этого были недооценка роли трещиноватости в формировании водоносности пород и водопритоков в шахты, а также представления о том, что в горных выработках раскрытия трещин искажено горным давлением и взрывными работами.

Важной спецификой методики подземной съемки вообще и открытых трещин в особенности является выбор станций для измерений параметров трещин. Такие станции должны находится только в свежих, хорошо обобранных забоях, на стенках квершлагов, штреков и некоторых других периферийных выработок, пройденных вне зоны сдвижения горного массива. Нами станции выбирались вне зон подработки или надработки в частях выработок, находящихся в непрерывной проходке, опережающих не менее чем на 100 м очистной фронт, в интервале 0-20 м от забоя [3, 5]. Эти условия, подтвержденные в последующем практикой, согласуются и с результатами специальных исследований (П.А.Балаганский, 1967).

Наблюдения за раскрытием трещин стремились проводить по разрезам. Станции наблюдения выбирались так, чтобы определенную пачку пород можно было проследить от выходов на поверхность до максимальных глубин, достигнутых в районе горными выработками [2, 3].

При картировании к трещинам мы относили разрывы сплошности пород, которые не сопровождались смещением, либо смещения не превышали 0,1 м. При большей амплитуде их относили к дизъюнктивам (разрывам со смещением) [3] . Позже такое разделение было принято в классификации нарушений Минуглепрома (1972). Приведенное понятие отличается от сформулированных в "Справочнике по тектоническорй терминологии" (197 0) и в "Геологическом словаре" (1973) только конкретным указанием предельной величины перемещения.

По раскрытию трещины подразделяли на три группы: открытые - зияющие (стенки раздвинуты), закрытые (с плотно сомкнутыми стенками) и заполненные минеральными образованиями. Величину раскрытия определяли с помощью шкалы линейки и комплект ов слесарных щупов с толщиной пластинок от 0,025 до 1,0 мы, что дало возможность замерять раскрытие трещин, обусловливающих водопритоки в шахты, полные и сильные поглощения промывочной жидкости. Раскрытие трещин менее 0,025 им измеряли с помощью карманного микроскопа с увеличением в 16 и 32 раза. Согласно рекомендациям Е.М.Смехова и др.(1962), мы измеряли минемальное, максимальное и среднее раскрытие, а также протяженность открытой части (полную и видимую) .

Расстояние между трещинами определяли по возможности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, чтобы из наблюдений не выпадала система, близкая по ориентировке к стенке обнажения (выработки).

В процессе документации отмечали' параметры ближайших тектонических нарушений, вводили поправки на показания горного компаса в случае влияния металла, выполняли другие необходимые операции. Методика работ отражена в специально составленных нами "Методических указаниях по проведению съемки трещин в горных выработках угольных шахт Донбасса" (Г,П.Панасенко, В.Ф.Макляк, 1968), обеспечивших выполнение этих работ шахтными геологами по единой методике. Указаниями пользуются и в настоящее время.

В связи с тем что густота и названные важные гидрогеологические пар-метры трещин меняются в пространстве нерегулярно, в основу количественной оценки их изменчивости были положены методы математической статистики, позволяющие наиболее точно определить средние параметры и математически, в виде уравнений, описать выявленные зависимости.

При обработке материалов съемки трещиноватости исходные фактические данные тщательно проверялись, сомнительные и аномальные значения из расчетов исключались.

В обнажениях и стенках выработок трещины редко бывают ориентированы перпендикулярно их плоскостям, поэтому для определения истинной удельной трегциноватости расчитывался поправочный кофэффициент К, учитывающий отклонения этой поверхности от ориентировки трещин: К « « 1/V 1 - соз2а • зд.п2Р, где а - угол отклонения плоскости поверхности наблюдения от плоскости трещины; (} - угол падения трещины. Для ускорения этой операции была составлена специальная таблица и построены номограммы.

Результаты съемки группировались по литологическим разностям пород и глубинам, на которых находились станции наблюдений. Для получения сопоставимых данных (в зависимости от их количествая) интервалы глубин принимались равными 100 или 50 м. Фактические данные выносились на графики и выбирались функции, наилучшим образом отражающие зависимость изменения раскрытия трещин с глубиной. Кроме того, по известным методикам строили и соспоставляли розы и диаграммы трещин и разрывы со смещением.

Метод оценки интенсивности трещиноватости по поглощениям промывочной жидкости в принципе близок известным методам изучения ее и фильтрационных свойств горных пород наливов и нагнетанием воды в скважины. В его основе лежит зависимость между водопоглощающей и водоотдающей способностями трещиноватых горных пород.

Поглощение промывочной жидкости интенсивно протекает в основном в приэабойной части скважины, так как выше на ее стенках довольно быстро образуется водонепроницаемая глинистая корка. Исключение составляют крупные трещины или интенсивно трещиноватые зоны, для кольматажа которых иногда необходимо применять специальные тампонажные работы. Наличие таких трещин и зон, а также вызванные ими большие потери промывочной жидкости, относимые к осложнениям при бурении, обычно фиксируются в документации скважины.

Экспериментами установлено, что поглощение начинается при раскрытии трещин, равном не менее четырех диаметров частиц, содержащихся в промывочной жидкости. Следовательно, при промывке глинистым раствором оно б удет протекать, если ширина трещин от 0,04 мм и больше - в хорошем глинистом растворе размер частиц в основном менее 0,01 мм. Это подтверждается и нефтяниками (Е.М.Смехов и др., 1958), установившими, что трещины с раскрытием от 0,1 до 0,1 мм обладают удовлетворительными фильтрационными свойствами.

Теоретической основой правомерности использования данных о поглощениях промывочной жидкости является закон больших чисел, согласно которому случайные причины, вызывающие отклонения, нейтрализуются, а действие общих решающих факторов приводит к результатам, не зависящим от случая. Именно обилие данных позволило нам установить закономерности развития трещиноватости, вполне соответствующие другим методам ее изучения, а также разведочным и эксплуатационным данным.

Анализ данных о поглощениях промывочной жидкости производился только по скважинам, вскрывшим естественные трещины (но не разломы). При наличии в одной скважине нескольких горизонтов поглощений, подтверждаемых

геологической и технической документацией, учитывались все; при отсутствии же таких оснований принималось только первое (верхнее) поглощение .

Количественно интенсивность трещиноватости оценивалась по частоте поглощений (Г.П.Панасенко, 1956) - отношению количества случаев поглощений промывочной жидкости (п) в данном интервале глубин (100 или 50 м) к количеству пересечений этого же интервала (Б) всеми скважинами {на участке, структуре или части структуры), выраженному в процентах: N = =(п/Б)- 100.

Обработка данных о полных и сильных поглощениях в скважинах при их бурении вне горных работ для приблизительной оценки интенсивности развития естественной открытой трещиноватости заключалась в распределении поглощений по интервалам глубин, определении частоты поглощения и построении графиков зависимости частоты поглощения от глубины по разновидностям пород, отдельным геологическим структурам, элементам крупных структур и другим интересным в гидрогеологическом отношении площадям. Как и при съемке трещиноватости (для сравнения), интервалы глубин брались равными 100 м.

Достоинствами этого метода являются не только экономичность, но и возможность фиксирования трущиноватых зон, в которых действительно происходит фильтрация вода, что важно при оценке гидрогеологических условий месторождения.

ИсжусетяФаяля тр*щкноватость. В Донецком бассейне длительное время отсутствовали простые и экономичные метода определения мощности зоны трещиноватости, образующейся над выработанным пространством. Условно считалось, что в зону дренажа будут вовлечены все водоносные горизонты, находящиеся над очистными выработками на расстоянии, равном 100 ш (т -мощность разрабатываемого угольного пласта).

В связи с тем, что в басейне имеется много скважин, пробуренных в подработанном очистными выработками горном массиве, было предложено (Г.П.Панасенко, 1966; Г.П.Панасенко, В.Ф.Макляк, 1969) определять мощность зоны дренажа (и глубину безопасной выемки угля под водоемами) по поглощениям промывочной жидкости в таких скважинах. Суть этого метода заключается в том, что при бурении скважин через выработанное пространство на некотором расстоянии от него начинается сильное (или полное) поглощение промывочной жидкости, уксиливающееся по мере приближения забоя скважины к горной выработке. Это свидетельствует о вскрытии скважиной деформированных вследствие подработки трещиноватых горных пород.

Таким образом, по глубине начавшегося и непрекращавшегося до пересечения выработки сильного или полдного поглощения можно определить мощность зоны трещиноватых пород (вместе с зоной обрушения), образующейся над ваыработкой.

Полученные данные систематизировались и выносились на координатную плоскость в соответствии с мощностями разрабатываемых угольных пластов и способами управления кровлей с учетом прочности (степени метаморфизма - по марочному составу вмещаемых углей) горных пород, поскольку все эти факторы влияют на мощность зоны сдвижения. Распределение точек на графике показало, что между сопоставляемыми величинами существует зависимость - мощность трещиноватой зоны растет с увеличением извлекаемой мощности разрабатываемого угольного пласта. Она описывается уравнением прямой, проходящей через начало координат под определенным углом к оси абсцисс: Н ■ Ьгп, где Н - мощность т рещиноватой зоны, м; Ь - угловой коэффициент; т - извлекаемая мощность разрабатываемого угольного пласта, м.

Положен*® 2. Коллвкторские свойства карбона антрацитовых районов Восточного Донбасса определяются главна образом открытой макроскопической трещиноватостью. Роль межзерновой пористости и других видов скважности имеет поджчиненное значение. Все литологические разности пород антрацитовых районов трещиноваты и водоносны. С глубиной густота трещин в одноименных пластах не изменяется. В региональном плане густота трещин уменьшается в соответствии с возрастанием мощности пластов и прочности пород с запада на восток.

Махэерновдо пористость пород карбона равномерно уменьшается по мере роста степени их постдиагенетических изменений, глубины залегания и возраста независимо от литологического состава. В антрацитовых районах Восточного Донбасса общей порнистости (в том числе песчаников) вне зоны выветривания свойственны малые значения (преимущественно з-б %), и вследствие ее тупикового характера [5] - гидравлическая изолированность . В региональном плане на сопоставимых глубинах среднее значение пористости пород уменьшается по мере увеличения степени их метаморфизма с запада на восток и с севера на юг.

В целом роль межзерновой пористости антрацитовых районов (вне зоны выветривания) в формировании их водоносности и водопритоков в шахты чрезвычайно мала. Лишь в зоне выветривания, где активно действуют процессы, противоположные лито- и метагенезу, она во всех литологических разностях пород, независимо от степени их постдиагенетических измене-

ний, закрытости структуры и сложности тектоники, приобретает максимальные значения и большую гидрогеологическую роль.

ТросртвоватосФЬ угленосной толщи как результат разряжения напряжений массива формировалась длительное время и многостадийно, имеет региональный характер развития, а ее распределение закономерно и приближается к относительно правильной сетке.

Глубокие преобразования отложений карбона, претерпевших метаморфиза-цию, соответствующую условиям формирования всей гаммы технологических марок донецких углей - от ДБ (ранний катагенез) до А (начальный метоге-нез), сделали их высокопрочными и хрупкими. Вследствие этого все лито-логические разности пород (в том числе и глинистые) антрацитовых районов трещиноваты и водоносны.

Основная гидрогеологическая роль, обусловливающая водоносность угленосной толщи, принадлежит макроскопическим (с раскрытием от 0,1 мм и выше) регионгшьным тектоническим трещинам отрыва и скалывания. Для них характерны большая выдержанность ориентировки и равномерность пространственного размещения.

Простирание трещин отрыва неразрывно связано с элементами складчатости - относительно простирания структур существует четыре системы этих трещин: продольная, поперечная и две диагональные. По взаимоотношению с мощностью пластов трещины подразделяются нами на три порядка: первого -секущие несколько пластов, второго - секущие один пласт (слой) и не ыходящие за его пределы, и третьего - приуроченные лишь к какой-либо его части.

Густота региональных трещин отрыва в отложениях карбона зависит от интенсивности плекативноЙ тектоники, мощности пластов, их гранулометрического состава и физико-механических свойств. С возрастанием мощности пластов и прочности пород расстояние между этии трещинами увеличивается. В региональном плане такая зависимость в Донбассе прослеживается с запада на восток. 'Об уменьшении трещиноватости в геосинклиналях от их периферии к центру уже сообщалось (Н.П.Ахвердиев, 197 6). В крупно- и среднезернистых песчаниках промежутки между ними больше, чем в глинистых породах, особенно в слоистых пластах малой мощности. Например, средние значения удельной трещиноватости в Шахтинско-Несветаевском районе (вне зоны выветривания) следующие: в песчаниках - 1,9, в сланцах алевритовых крупнозернистых - 2,3, в мелкозернистых - 3,0, в сланцах глинистых - 3,4 (близкое распределение, но с большей густотой в Чистя-

ково-Снежнянском районе). С глубиной густота трещин и их ориентировка в одноименных пластах при сохранении их мощности не изменяются.

Региональные трещины отрыва часто бывают зияющими. Наибольшее их раскрытие в открытых районах бассейна в зоне выветривания. В верхней части разреза среднее раскрытие трещин имеет разные значенияы (но в порядке, обратном установленному для их густоты) в породах, отличающихся по литологическому составу. Оно убывает соответственно снижению крупности слагающего их терригенного материала и прочностных характеристик -от песчаников к глинистым сланцам. С ростом глубины раскрытие трещин и протяженность их открытого пространства во всех породах уменьшается, а различия последних по этим показателям стираются. В песчаниках антрацитовых районов Восточного Донбасса, где региональные тектонические трещины отрыва имеют наибольшее раскрытие, в макроскопическом виде они глубже 750 м не встречаются.

Региональные тектонические трещины скалывания более широкое развитие получили на наиболее сложных в тектоническом отношении площадях. Они чаще по сравнению с трещинами отрыва секут несколько пластов пород и имеют большую протяженность, а на крыльях складок обычно образуют сопряженные пары. В изученных районах они в открытом виде глубже 640 м не встречались.

В складчатой части Донбасса пространственное развитие региональной тектонической трещиноватости и изменение важнейших для гидрогеологии параметров (густоты, раскрытия, коэффициентов трещинной пустотности, вызываемой ею частоты поглощения промывочной жидкости) находятся в закономерных связях с изменением средней мощности породы и характером по-стдиагенетических изменений последней. В соответствии с этим коэффициенты трещинной пустотности и частота поглощений промывочной жидкости при их рассмотрении в масштабах бассейна в среднем уменьшаются, а раскрытие трещин увеличивается с запада на восток аналогично увеличению мощности угленосных отложений, степени их литификации и метморфизма.

Локальные тектонические трещины отрыва и скалывания имеют зональное распространение. Они приурочены к различным дизъюнктивам, флексурным складкам, антиклинальным и другим перегибам пластов и к зонам поперечных поднятий. Локальные трещины нарушают и усложняют сеть региональных трещин, что в свою очередь создает специфические условия движения подземных вод и формирования водопритоков на отдельных участках месторождений и даже шахтных полей.

Ширина зон локальных, оперяющих дизъюнктивы трещин зависит от амплитуды его смещения и обычно растет с ее увеличением. Кроме того, локальные зоны повышенной трещиноватости развиваются на продолжении разрыва со смещением. Поэтому глубина распространения локальных трещин в открытом виде, контролируемая развитием разрыва со смещением, может быть больше, чем региональных. Но она хотя и разная, тоже ограниченная, так как с глубиной амплитуды большинства смещений уменьшаются - дизъюнктивы затухают (Б.В.Смирнов, В.В.Трощенко, 1966? И.Л.Очеретенко и др., 1966; А.А.Бабич, В.И.Дубравный, 1967; Г.П.Панасенко, В.Ф.Макляк, 1969? Е.В.Терентьев, 1965, 1970 и др.).

Местом концентрации локальных тектонических трещин являются перегибы пластов горных пород. Здесь густота трещин и размеры зоны их развития контролируются масштабами и индивидуальными особенностями формирования этих структур. Большая интенсивность трещиноватости приурочена к резким перегибам пластов крепких пород, но наиболее крупные зоны (а следовательно, и водопритоки из них) связаны с флексурными складками и особенно с их висячими крыльями.

Значительные площади зоны локальной тектонической трещиноватости на больших глубинах образуются в зонах поперечных поднятий в донных частях синклиналей. С ними могут быть связаны повышенные (несвойственные для этих интервалов) водопритоки в горные выработки, как, например, на нижних горизонтах шх."Южная".

Среди нетектонических трещин наибольшая гидрогеологическая роль принадлежит макроскопическим трещинам напластовая, так как они в пределах глубины своего развития (до 275 м) объединяют трещины крутой ориентировки в единую гидравлическую систему. Наиболее выражены эти трещины в районах распространения углей марок Т-А.

Положение 3. Раскрытие региональных макроскопических трещин независимо от их ориентировки в плане закономерно уменьшается с глубиной соотвественно• росту reo статического давления по экспоненциальной зависимости. Скорость затухания раскрытия зависит от угла падения трещин. С глубиной одновременно с уменьшением раскрытия региональных трещин снижаются значения коэффициентов фильтрации и показатели водоносности пород карбона. Характер кривых изменения этих параметров очень близок.

При обработке данных съемки трещиноватости основной задачей было выявление зависимости изменения раскрытия трещин с глубиной. С этой целью сгруппированные по интервалам глубин фактические данные выносились на

координатную плоскость. 3 связи с ограниченностью количества станций наблюдения в одной шахте для получения статистически надежных результатов при группировке объединялись данные по ряду шахт. Последнее обусловливало заметный разброс точек. Тем не менее на графиках очень четко проявлялась убывающая функция, имеющая максимум на дневной поверхности.

Из элементарных убывающих функций нами исследовались частные выражения трех зависимостей: экспоненциальной - У1 = аеЬх11, обратно пропорциональной - уг = к/(а + х2) и степенной - у3 = Ьх3".

и еюшвзкмии и и и ни и и и и и и и шиш „

■ ■............г ..............О, ми

1 - песчаники; 2 - сланцы алевритовые; 3 - сланцы глинистые; 4 -по всем породам; 5 - частота поглощения

При отборе необходимой функции сразу отпала степенная зависимость, так как при х = 0 значение у также равно нулю, т.е. раскрытие трещин на

поверхности оказывается нулевым, что противоречит фактическим данным. Гиперболическая функция дает значительные отклонения от наблюдавшихся значений в области больших глубин, а экспоненциальная наилучшим образом согласуется с данными замеров.

Закономерность изменения раскрытия совокупности всех региональных крутоориентированных тектонических трещин описывается зависимостью В = 1,19е"0,00<н (рис.1), где В - раскрытие, мм; Н - глубина, м, а кривые для трещин, развитых в песчаниках, сланцах алевритовых крупнозернистых, а также алевритовых мелкозернистых и глинистых, имеют следующие математические выражения: В = 1,59е'°'0смн; В = 1,13е-°'004н и В = 0,62е-°'003[!. Близкие значения позже были получены и по смежным районам украинской части бассейна (И.М.Ксенда, 1972; В.Н.Савицкая и др., 1974, 1983).

Анализ приведенных графиков свидетельствует о том, что литологиче-ский состав и физико-механические свойства пород оказывают существенное влияние на величину раскрытия рассматриваемых трещин только до глубины 600-900 м. На больших глубинах решающим фактором, определяющим этот показатель, является величина геостатического давления.

В Восточном Донбассе по величине раскрытия отличаются и трещины разных систем. Большими значениями характеризуются продольные относительно складчатых структур (В « 1, 36е~°'004н), на втором месте - диагональные трещины (В = О,94е"°'ооззн), наименьшее раскрытие имеют поперечные (В = 0, 8е"°'0037н) . Это, на наш взгляд, связано с действием напряжений, возникающих на крыльях складок вследствие разноскоростного подъема осевых частей антиклиналей и синклиналей. В свою очередь сами различия в раскрытии трещин обусловливают фильтрационную анизотропию пород карбона на малых и средних глубинах.

Раскрытие и площадь открытого пространства региональных макроскопических трещин существенно зависят от угла их падения. Эти параметры закономерно уменьшаются с глубиной по мере роста геостатического давления независимо от литологического состава, возраста, степени постдиагенети-ческих изменений пород и ориентировки трещин в плане. Так, в антрацитовых районах Восточного Донбасса в условиях пологого и наклонного залегания пород трещины напластования в открытом виде наблюдались лишь до глубины 275 м, пределом распространения открытых трещин с углами падения до 30° оказались 350 м, трещины скалывания, характеризующиеся углами падения преимущественно 45-60°, с раскрытием более 0,1 мм наблюдались до глубины 640 м, а наиболее глубоко (до 750 м) в открытом виде распространяются крутоориентированные региональные трещины отрыва.

Контрастное увеличение поверхности раскрытия трещин, перпендикулярных или суОперпендикулярных вектору геостатического давления (по сравнению с иначе ориентированными), может быть объяснено высокой чувствительностью к нему именно этих трещин вследствие ориентировки их плоскостей, особенностей распределения давления, а также изменения свойств пород в зоне выветривания.

О характере изменения интенсивности естественной трещиноватости горных пород в плане и разрезе изучаемой площади, в том числе и разведуе-ыых шахтных участков, можно судить по поглощениям промывочной жидкости при бурении скважин. Интенсивность поглощения, определяемая густотой открытых трещин и величиной их раскрытия, свидетельствует об изменениии этих параметров, важнейших для познания гидрогеологических условий угольных месторождений. Поскольку в каждом данном пласте породы с глубиной густота региональных трещин не уменьшается, то снижение поглощающей способности пород связано с уменьшением их раскрытия. Частота поглощения - численный показатель поглощающей способности исследуемых пород - позволяет количественно (хотя и приблизительно) оценить изменчивость этого параметра.

Статистический анализ большого количества данных показал, что лито-логически отличные горные породы (всех рассматриваемых групп метаморфизма) по-разному проявляют способность к поглощению, которая в целом увязывается с закономерностями, установленными для трещиноватости. Наличие на графиках изменения частоты поглощения с глубиной пиков и различные глубины прекращения поглощений не являются следствием погрешностей метода, а отражают анизотропию фильтрационных свойств пород. На ней сказались не только процессы выветривания (почти всюду частота поглощения на верхних горизонтах выше) и вскрытие отдельных трещиноватых зон на глубоких горизонтах, но и выбытие с глубиной из числа макроскопических трещин напластования и других пологонаклонных трещин.

В региональном плане изменение частоты поглощений промывочной жидкости повторяет установленную закономерность уменьшение густоты трещиноватости - в антрацитовых районах она также уменьшается с запада на восток: в пределах Главной синклинали от Боково-Хрустальского района (12-5 %) к Должанско-Ровенецкому (6-2) и Гуково-Зверевскому (4-2 %); в Южной синклинали - ог Чистяково-Снежнянского (9-2) к Шахгинско-Несветаевскому (4-2) и Задонскому (3-1 %).

Частота поглощений также, как и величина раскрытия трещин с глубиной закономерно уменьшается. Их изменение происходит одинаково (см.рис.1).'

В Шахтинско-Несветаевском и Задонском районах глубина поглощения имеет наименьшие значения - соответственно 840 и 690 м. Эта закономерность имеет, очевидно, ту же природу, что и изменение густоты трещин - большие мощности пластов пород и более значительные их постдиагенетические преобразования, обеспечивающие им высокие прочностные свойства.

В восточной части бассейна повышенное значение частоты поглощения отмечается в тектонически сложных районах распространения углей средних групп метаморфизма (ОС, К, Ж), находящихся в зоне мелкой складчатости. Более интенсивная в этой зоне тектоника, умеренная прочность и достаточная хрупкость пород являются хорошим сочетанием условий, благоприятствующих проявлению ими здесь повышенной склонности к трещинообразова-нию.

Наибольшей поглощающей способностью обладают пласты песчаников. В Восточном Донбассе в них фиксируется в среднем более 50 % всех поглощений, в Западном - 72 % (JI.A.Лисянская, П.В.Калыгин, 1970) . Аналогичное положение в Центральном Донбассе (Н.Д.Панасенко и др., 1970). В основном с песчаниками связаны и максимальные глубины поглощений. Увеличение удельного веса частоты поглощений в песчаниках с глубиной отмечается во всех районах. В Восточном Донбассе, например, на глубине 400-500 м она достигает 86 %.

Основное количество поглощений во всех литологических разностях пород приходится на верхние горизонты - примерно до глубины 150-200 м. Свыше 90 % всех поглощений в алевритовых сланцах ограничивается глубиной 275 м, в глинистых сланцах - 225 м, в известняках - 175, в песчаниках - 350 м.

Наш вывод о том, что с определенных глубин величины раскрытия трещин в породах различного литологического состава имеют близкие значения, подтверждает и характер кривых изменения количества поглощений с глубиной по разновидностям пород. В антрацитовых районах Восточного Донбасса до глубины около 825-850 м происходит 99,4 % поглощений в песчаниках, 99,29 %- в алевритовых сланцах и около 100 % в глинистых сланцах. Близкие интервалы проявления подавляющего большинства поглощений отмечают Н.Д.Панасенко и др. (1970) в антрацитовых районах Центрального Донбасса: в Должанском - до 900 м, Боково-Хрустальском - до 900-1000 м, в районах распространения коксовых углей (тектонически более сложных) - в Краснодонском и Алмазно-Марьевском - до глубины 1000-1100 м.

Отмечавшаяся нами повышенная частота поглощений промывочной жидкости в донных и замковых частях складок, в том числе и синклинальных

(Г.П.Панасенко, В.Ф.Макляк, 1969), нашла подтверждение и в других районах басейна (Н.Д.Панасенко и др., 1970).

С глубиной увеличивается удельное количество поглощений непосредственно в зонах развития локальной трещиноватости (разрывы со смещением и оперяющие их трещины, флексурные складки и др.). Это связано с тем, что с ростом геостатического давления количество и раскрытие макроскопических региональных трещин уменьшается, а локальные макротрещины, распространяющиеся на относительно большую глубину, приобретают в распределении частоты поглощений повышенное удельное значение. Трещины концентрирующиеся вокруг локальных нарушений, поддерживаются в открытом виде, вероятно, благодаря реализации напряжений, возникающих при разноскоро-стном подъеме отдельных частей бассейна. Зоны их развития, по-видимому, играют роль своего рода шарниров между отдельными неравномерно движущимися крупными блоками. В результате происходит оживление и образование на больших глубинах локальной трещиноватости.

Породы антрацитовых районов, погружавшиеся на максимальные глубюины и испытавшие наиболее высокие температуру и давление, претерпели по-стдиагенетические изменения, соответствующие стадиям формирования всей гаммы технологических марок углей (от ДБ до А) . Если бы трещиноватость формировалась на всех глубинах погружения, то в антрацитах и вмещающих их породах формировалась бы максимальная ее густота (при залечивании -следы трещин). Однако здесь она и частота поглощения промывочной жидкости существенно меньше,чем в породах, содержащих угли средних групп метаморфизма. Это достаточно убедительно свидетельствует об образовании региональных трещин на ограниченных глубинах.

Раскрытие не является постоянным и непрерывным признаком каких-то особых трещин. Это свойство и состояние, меняющиеся в пространстве и времени. Поэтому выделение в некоторых классификациях "открытых" трещин не совсем правомерно.

Геостатическое давление - постоянно действующий региональный фактор. Его снижение вследствие денудации или абразии (так называемая разгрузка), протекающее более длительное в сравнении с релаксацией время не может служить трещинообразующим фактором. Уменьшение давления может только способствовать образованию трещин, вызывать приоткрывание закрытых, либо увеличить раскрытие. Поэтому выделение некоторыми исследователями в приповерхностной зоне трещин разгрузки представляется ошибочным.

Водоносность пород карбона обусловлена главным образом трещиновато-стью и пористостью. С глубиной пористость и раскрытие трещин во всех водовмещающих породах независимо от их постдиагенетических изменений уменьшаются. Одновременно снижаются коэффициенты фильтрации, удельные дебиты скважин, водопритоки в шахтные стволы и шахты, коэффициенты во-дообильности шахт.

Графики зависимости общих водопритоков и коэффициетов водообильности от глубины свидетельствуют, что до глубины 300-500 м, несмотря на уменьшение раскрытия трещин, приток возрастает. Это происходит за счет того, что до глубины 275 м развиты трещины напластования, влияния которых с учетом мощности зоны искусственных трещин над очистными выработками распространяется на большую глубину. Определенное влияние оказывает и увеличение напоров.

Обращает на себя внимание близость характера кривых изменения коэффициентов фильтрации, удельных дебитов и раскрытия трещин с глубиной. Так же, как в раскрытии трещин, на малых глубинах наблюдается значительное отличие различных пород по фильтрационным свойствам, а на больших (свыше 600-700 м) - и фильтрационные свойства, и раскрытие трещин во всех породах имеют близкие значения. На глубинах, превышающих 640750 м, горные выработки многих шахт зачастую сухие.

Из-за малой пустотности трещины обычно играют роль каналов, по которым происходит движение подземныхъ вод. Основная же масса воды, участвующей в обводнении горных выработок шахт, аккумулируется в порах. Трещинная емкость горных пород в большинстве случаев не превышает 1 %. В антрацитовых районах, где горные породы претерпели существенные по-стдиагенетические изменения, межзерновая пористость играет существенную роль только в зоне выветривания. Здесь, благодаря разуплотнению пород, она в 3-5 раз выше, чем в тех же породах, залегающих ниже границы выветривания. В результате в открытых районах зона выветривания аккумулирует в паводковый и дождливый периоды регулировочные запасы подземных вод, которые в течение длительного времени (до нового периода пополнения запасов) формируют сравнительно устойчивые водопритоки в шахты. В зоне выветривания в 2-3 раза возрастает и трещинная емкость пород. Нетрещиноватые и невыветрелые горные породы, вмещающие угли марок А-Т, -водоупоры.

Выявленные закономерности распространения макроскопических трещин на глубину позволили выделить в разрезе четыре зоны их раскрытия - максимального ( в среднем до глубины 75 м), значительного (75-250 м), средне-

го (250-450 м) и минимального (глубже 450 и), отражающие зональность и водообильности пород. Вертикальная зональность раскрытия трещин, определяющая особенности существования гидродинамических систем, совпадает с гидрохимической зональностью подземных вод в карбоне Восточного Донбасса, выделенной В.И.Пчелинцевой (1969,1971).

Специфика формирования макроскопической трещиноватости, чередование открытых и закрытых трещин, преобладание в открытом виде трещин какой-лтбо системы, неравномерность распределения трещин по мощности пласта обусловливают анизотропию фильтрационных свойств массива пород как в плане, так и в разрезе.

Локальная естественная трещиноватость формирует индивидуальность обводнения каждого шахтного поля. Так как локальная трещиноватость, связанная с дизъюнктивами, в открытом виде может распространяться на большие глубины, чем региональная, она способна давать заметные водопритоки и при разработке глубоких горизонтов.

Выявленные закономерности формирования трещиноватости и водоносности пород карбона позволяют пересмотреть существующую методику производства ликвидационного тампонажа скважин, сделать ее простой, экономичной и более отвечающей реальным гидрогеологическим условиям, а также ставить вопрос о захоронении шахтных вод в пределах горного отвода шахты или в непосредственной близости от него.

Положение 4. Количество водоносных горизонтиов, дренируемых горными выработками, определяется мощностью зоны искусственной трещиноватости (и дренажа), образующейся в подработанном массиве. Она в свою очередь зависит от вынимаемой мощности разрабатываемого угольного пласта, механических свойств пород и способа управления кровлей. Эта зона трещиноватости формируется длительное время, в течение которого притоки в шахты будут неустановившимися.

В процессе горно-эксплуатационных работ в связи с потерей горным массивом монолитности нарушается и его напряженное состояние. Вследствие этого в некоторой зоне вокруг выработок происходит перераспределение напряжений и создается новое сложное, меняющееся во времени и пространстве, поле напряжений. В нем действуют силы, вызывающие не только обрушение горных пород в выработки, но и приоткрывание естественных, и образование искусственных трещдаин. Все это существенно увеличивает во-доотдающую способность вмещающих пород, что не может не учитываться методикой гидрогеологических исследований при их проектировании, производстве и при прогнозировании водопритоков. Природу образования и мае-

штабы распространения искусственных трещин при разработке месторождений полезных ископаемых необходимо также знать для обеспечения безопасной выемки сырья под водными объектами, устойчивости выработок, охраны геологической среды и др.

При горных работах в массиве пород образуются трещины взрыва, опорного дапвления и гравитационные (над выработанным пространством). Среди перечисленных искусственных (техногенных) трещин по масштабам распространения и гидрогеологическому значению наибольший интереас представляют последние.

Гравитационные трещины образуются в основном в результате деформации горных пород, находящихся в кровле очистных выработок, под влиянием их собственного веса. Они охватывают первые от очистной выработки зоны -обрушения и трещиноватости. Мощность зоны обрушения примерно равна 3-4-кратной извлекаемой мощности угольного пласта; в пластичных породах, а также при основной кровле, превышающей мощность разрабатываемого пласта, она может вообще отсутствовать (И.В.Хохлов, 1971; В.А.Мироненко, В.М.Шестаков, 1974; И.М.Ксенда, 1982? А.В.Мохов, 1983, 1992 и др.).

Во второй зоне - искусственной трещиноватости - деформации начинают развиваться по уже существующим трещинам и плоскостям наслоения, а затем приводят к широкому образованию новых, распространяющихся внутри контуров очистной выработки.

В третьей зоне - прогиба - развиваются лишь трещины расслоения.

Общую мощность зон обрушения и искусственной трещиноватости (зоны Т) мы определяли по данным о поглощениях промывочной жидкости при бурении скважин через старые очистные выработки графоаналитическим методом по максимальным значениям частных мощностей трещиноватых зон (рис.2). Аналогично, но по среднеарифметическим значениям, были получены выражения для нахождения мощности зоны дренада (зоны Д) . При этом учитывались мощность разрабатываемого угольного пласта, механические свойства пород (обобщенно - по марочному составу вмещаемых углей) и способ управления кровлей.

Максимальная мощность зоны Т для антрацитовых районов Восточного Донбасса при управлении кровлей способом полного обрушения определена равной: Н0 в 44т, где т - мощность разрабатываемого угольного пласта, м; при частичной закладке выработанного пространстранства - Н» = 41 т [5, 16]. Соответственно мощность зоны Д определяется уравнениями: Н0 = 26т; Н9 т 20,6т. Суммарная мощность зон обрушения и искусственной трещиноватости в районах распространения среднеметаморфизованных углей (марок

ОС, К, Ж) при управлении способом полного обрушения составляет: Н„ = 74т.

Мощность пласта (т). н

гл. Е3« ЕЗ'Ш' ЕЭ» ГГ^1'ПП> ЕЕЗ' ЕЕЗ'

Рис. £. Зависимость мощности искусственном трещнноватостн от мощности разрабатываемого угольного пласта и способа управления кровлей в Восточном Донбассе. Районы распространения антрацитов: 1 — фактические данные по сквджнкам; 2 — граница эокы искусственной трещннсаагости; 3 — граница зоны дренажа — при полком обрушении кровли; 4,5,6 — то же при частичной шдаде. Районы с углями марок ОС, К,Ж: 7,8,9 — то же при полном обрушении

Приведенные зависимости и данные украинских геологов свидетельствуют, что мощности рассмотренных зон закономерно возрастают по мере снижения степени метаморфизма углей (от А до Г-ДБ)• Это,по нашему мнению,-прежде всего следствие различий в физико-механических свойствах угле-вмещающих горных пород. Обладающие высокими прочностными характеристиками породы антрацитовых районов труднее обрушаются в выработанное пространство и приходят в сдвижение, чем породы районов со средне- и тем '

более слабометаморфизованными углями. Другой важной причиной сдвижения горного массива над очистными выработками является интенсивность естественной трещиноватости, которая как было показано, меньше в антрацитовых районах.

Важное научное и практическое значение имеет выяснение длительности процесса сдвижения горного массива над выработанным пространством. С этой целью нами была предпринята попытка найти связь между общей мощностью зон обрушения и трещиноватости (зоны Т) и отрезком времени от выемки угля до бурения скважины через погашенные горные выработки. Для сопоставимости данных мощности всех отработанных пластов были приведены к единой величине, равной 1 м. Обобщить такие данные удалось только по антрацитовым районам при управлении кровлей способом полного обрушения.

В результате установлено, что длительность формирования зоны Т весьма велика и при разработке пластов мощностью 1 м достигает 10 лет. Процессы, происходящие в подработанном массиве, и их последовательность с гидрогеологических позиций можно подразделить на три периода? первый -обрушения и трещинообразования (до 10 лет, притоки носят неустановившийся характер), второй - уплотнения обрушившихся пород и интенсивного кольматажа трещин (приблизительно 12,5 лет, притоки вначале стабилизируются, а затем снижаются), третий - период уплотнения обрушившихся пород и постепенного кольматажа трещин (не менее 25 лет, водопритоки продолжают снижаться, но постепенно, либо начинают плавно расти за счет привлечения динамических ресурсов).

Приведенные временные границы между периодами до некоторой степени условны. Скорость и длительность кольматажа образующихся искусственных трещин зависят от ряда факторов: скорости инфильтрации атмосферных осадков, литологического состава и физико-механических свойств пород, глубины ведения очистных работ, угла падения пород, интенсивности физико-химических, биологических процессов и др.

Принято считать, что период сдвижения гораздо короче (ВНИМИ, 1981), однако недооценка его длительности (с учетом достоверного определения мощности зоны дренажа на конкретном шахтном поле) может привести к серьезным ошибкам при прогнозировании гидрогеологических условий разработки.

Несмотря на то, что мощности рассмотренных зон, определенные нами, являются приблизительными, опыт применения этого метода изучения искусственной трещиноватости в Донбассе и близость конечных результатов, полученных различными авторами подтверждают его правомерность и достаточ-

ную достоверность выполненных на его основе прогнозов. При этом не требуется проведение специальных работ и значительное вложение средств. Данный метод позволил обоснованно выделять водоносные горизонты и комплексы, подлежащие тщательному изучению при разведке угольных месторождений и учитываемые при прогнозировании водопритоков. Вместе с тем он позволяет более правильно определять мощности целиков при подработке водных объектов, а также влияние подземной разработки на ход естественных процессов в недрах, что имеет важное значение для охраны последних.

□ оложовже 5. Возможности эмпирических формул в повышении точности прогнозов водопритоков в шахты крайне ограничены и в занчи-тельной степени исчерпаны. Большое число причин, влияющих на величину водопритока, вызывает необходимость прогнозировать его по уравнениям множественной корреляции, включающим, помимо традиционно учитываемых факторов, извлекаемую мощность разрабатываемого угольного пласта, суммарную мощность зон обрушения и искусственной трещиноватости, значение мощности зоны дренажа.

В Донецком бассене применялись разные методы прогнозирования водопритоков. Относительно наиболее точные значения давали расчеты по эмпирическим уравнениям, основанным на гидрогеологических аналогиях, учитывающих глубину разработки, общую протяженность очистных выработок, общую и годовую площади отработки, производительнрость шахты. За последние годы в бассейне проведена большая работа по совершенствованию этого метода. Причина - все еще низкая точность прогнозов. Для повышения его надежности многие исследователи проверяли достоверность прогнозов по разным формулам, выявляли причины ошибок, производили корреляционный анализ зависимости водопритоков шахт от отдельных горноэксплуатационных факторов, вносили поправки в используемые и выводили новые формулы. Невысокую точность прогнозов по большинству эмпирических зависимостей (расхождение ± 30-40 %) многие авторы объясняли главным образом ошибками в подборе шахты-аналога.

Нами также был проведен анализ достоверности расчетных водопритоков в 15 шахт по восьми основным формулам (всего 1102 расчета). При этом кроме выбора наиболее эффективных зависимостей и определения оптимальных условий их применения ставилась задача выяснить, можно ли вообще "правильно" выбрать шахту-гидрогеологический аналог. Для ее решения была принята методика, заключающаяся в том, что действующая шахта с известными значениями водопритока и технологических параметров за многолетний период попеременно использовалась и как аналог, и как проекти-

руемая. Казалось бы, такой подход давал идеальную аналогию. Расчеты показали, что в ряде случаев в одной и той же шахте факторы, включая ее параметры, используемые для прогнозирования, в течение одного года меняются настолько, что эта шахта не может служить аналогом даже самой себе. Последнее свидетельствует о том, что возможности эмпирических формул крайне ограничены и в значительной степени исчерпаны - в зависимости, включающие даже 2-3 фактора, дают удовлетворительные результаты чаще случайно.

Влияние на водоприток в шахту большого числа естественных и искусственных причин и условий, меняющихся во врмени и пространстве, усложняет проблему значительного повышения точности прогнозов. Это вызывает необходимость производить их по уравнениям регрессии, включающим большое количество факторов. Нами при нахождении количественных зависимостей общешахтных водопритоков от важнейших технологических параметров в число последних были введены извлекаемая мощность разрабатываемого пласта, мощность зоны дренажа, суммарная мощность зон обрушения и искусственной трещиноватости, годовой объем интенсивно дренируемых пород, которым, без сомнения, принадлежит ведущая роль в формировании притоков.

Для обработки данных была собрана информация по 123 шахтам антрацитовых районов Донбасса (44 - по восточной его части), а отобрана для расчетов - по 94 (соответственно по 15) шахтам. Объем выборки составил 916 (110) с 10 параметрами по каждой. Машиносчетные работы выполнялись отделом АСУ ГГП *Южгеология" по специальной программе, подготовленной Днепропетровским отделением ИМРа Украины.

С учетом закономерностей развития трещин и зональности в их раскрытии, все собранные данные были разделены по группам глубин разработки угля. Нижняя граница первой группы принята по границе распространения в открытом виде литогенетических трещин плюс мощность зоны дренажа - 350 м, второй группы - по границе распространения макроскопических региональных трещин отрыва - 750 м; к третьей группе отнесены шахты с выемочными площадями на глубине, превышающей 750 ы. Кроме того, по количеству одновременно отрабатываемых пластов шахты были подразделены на одно- и многопластовые. В отдельные группы были объединены однопласто-вые шахтиы на одноименных пластах.

Выборочная проверка ряда уравнений регрессии показала, что наиболее удовлетворительные величины прогнозныхводопритоков дают зависимости, учитывающие все перечисленные факторы. Среднее относительное отклонение расчетного притока от фактического колеблется от 3,3 до 25,5 %. Хорошие

результаты получены при проверке уравнений, описывающих зависимость во-допритоков от двух факторов по отдельным угольным пластам - 1?, 13, к2, 1Ь и т.», когда величины прогнозных водопритоков совпадали или были близкими к фактическим. Ряд уравнений, дающих наименьшие ошибки, предложен для применения в Восточном Донбассе.

Высокая точность прогнозов водопритоков по уравнениям множественной корреляции для каждого конкретного пласта свидетельствует о том, что идентичность пластов является в значительной мере и признаком гидрогеологической аналогии. Поэтому дальнейшее повышение точности прогнозов в Восточном Донбассе может быть достигнуто на основании обработки на ЭВМ большого объема достоверных данных о водопритоках в выработки по отдельным пластам. Это позволит получить зависимости, более точно описывающие связь водопритока с важнейшими факторами не по всему бассейну, а именно по его восточной части.

Заключение

В результате проведенной работы установлено, что коллекторские свойства карбона антрацитовых районов Восточного Донбасса определяются главным образом региональной открытой макроскопической трещиноватостью. Здесь все литологические разности пород трещиноваты и водоносны.

Доказано, что такие параметры трещин, как и густота и раскрытие, можно изучать в подземных горных выработках при проведении съемки тре-щиноватости и разработаны некоторые методические приемы этой съемки. Обоснована возможность изучения интенсивности развития естественной и искусственной трещиноватости в масиве пород косвенным методом - по поглощениям промывочной жидкости при бурении скважин - и предложена методика обработки таких данных.

Выявлены зависимости густоты, раскрытия региональных тектонических трещин, трещинной пустотности от литологического состава и физико-механических свойств пород и от интенсивности их постдиагенетических изменений, а густоты - еще и от мощности пласта. Сделан вывод о региональной закономерности изменения этих параметров с запада на восток -от периферии бассейна к его наиболее погруженной части.

Установлено, что раскрытие региональных макроскопических тектонических трещин убывает с глубиной по экспоненте, и на этом основании дока-

зана зависимость этого параметра от величины геостатического давления и ориентировки трещин к его вектору.

Показана особая гидрогеологическая роль открытых нетектонических трещин напластования, развитых в верхней части разреза карбона.

Рассмотрены закономерности изменения межзерновой пористости основных литологических разностей пород в зависимости от степени их постдиагене-тических изменений. Показано, что в ант рацитовых районах межэерновая пористость приобретает важное гидрогеологическое значение лишь в зоне выветривания.

Выявлена зависимость мощности зоны искусственной трещиноватости, образующейся вследствие сдвижения горного массива над очистными выработками, от вынимаемой мощности угольного пласта, способа управления кровлей и физико-механических свойств пород, а также разработан простой метод определения мощностей этой зоны и зоны дренажа. Определено, что процесс сдвижения протекает длительное время и в течение этого периода водопритоки в шахты будут иметь неустановившийся характер.

На основании описанных закономерностей развития трещиноватости рассмотрена вертикальная зональность водоносности пород и водопритоков в шахты и установлена связь гидрогеологических параметров пород-коллекторов, водоносности карбона и водопритоков в шахты с величиной раскрытия региональных трещин. Объяснена фильтрационная анизотропия трещиноватых пород.

Выявлены некоторые ранее не учитывавшиеся факторы, существенно влияющие на общешахтные притоки, и предложены уравнения множественной корреляции для их прогнозирования.

Разработанные методы изучения трещиноватости - съемка в горных выработках, оценка ее по поглощениям промывочной жидкости при бурении скважин, определение мощности зоны дренажа над выработками будущей шахты -получили одобрение и применяются во всем бассейне, в частности при оценке гидрогеологических условий разработки в пределах новых шахтных полей и реконструируемых шахт. В Восточном Донбассе при проектировании гидрогеологических условий их разработки используются также полученные нами зависимости изменения раскрытия трещин, значения мощности зоны дренажа и др.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Некоторые данные о характере затухания открытой трединоватости в карбоне Восточного Донбасса // Материалы II науч.конфер.молодых ученых Ростовской области. Ростов н/Д: Изд-во РГУ, 1968.

2. О характере изменения открытости трещин с глубиной в карбоне Восточного Донбасса // Проблемы геологии и полезных ископаемых Северного Кавказа, Донецкого бассейна. Нижнего Дона и Нижней Волги: Материалы III науч.сессии. Сб. N 19. Новочеркасск, 1969. (Соавт. Г.П.Панасенко).

3. О методике изучения трещиноватости в горных выработках угольных шахт Восточного Донбасса // Тез.докл. третьей геол.конф. "Лутугинские чтения". Луганск, 1969. (Соавт. Г.П.Панасенко).

4. Математическая обработка данных при изучении геологических объектов с параметрами, зависящими от глубины // Новые данные о геологии и полезных ископаемых Ростовской и сопредельных областей. Ростов н/Д, 1970. (Соавт. Л.К.Дудкевич) .

5. Коллекторские свойства карбона Донецкого бассейна // Геология территории Нижнего Дона и техника геологоразведочных работ. Ростов н/Д: Изд-во РГУ, 1970. (Соавт. Г.П.Панасенко).

6. О более детальной характеристике гидрогеологических условий шахтного поля в отчете о детальной разведке // Тез.докл. Всесоюз.совещ. геологов угольн.пром-сти по повышению эффективности геологоразвед. работ на полях действ.шахт и разрезов. Кемерово, 1971. (Соавт. Г.П.Панасенко, Г.П.Бессонова).

7. Гидрогеологические условия строительства и эксплуатации шахт // Методические указания по изучению и прогнозированию гидрогеологических условий при разведке угольных месторождений Донецкого бассейна. Днепропетровск: ИМР УССР, 1979. (Соавт. Н.И.Беседа,____ Г.П.Панасенко и др.).

8. Виды и ыетлды полевых гидрогеологических работ // Там же. (Соавт. Н.С.Подорванов, Г.П.Панасенко и др.).

9. Содержание и объем гидрогеологических работ на разных стадиях поисков и разведки // Там же. (Соавт. Н.С.Подорванов, ..., Г.П.Панасенко и др.) .

10. Прогноз притока воды в горные выработки шахт // Там же. (Соавт. И.А.Скабалланович,..., Г.П.Панасенко и др.).

11. о некоторых причинах погрешности в определении фильтрационных свойств трещиноватых пород по данным опытных откачек в Донбассе. Деп. в ВИНИТИ, 1982. (Соавт. Г.П.Панасенко).

12. Инструкция по изучению и прогнозной оценке гидрогеологических условий при разведке угольных месторождений Донецкого бассейна. Днепропетровск: ИМР УССР, 1983. (Соавт. Н.И.Беседа,..., Г.П.Панасенко и др.).

13. Типизация угольных месторождений по условиям обводнения горных выработок // Труды ВНИГРИуголь. Ростов н/Д, 1984. (Соавт. Я.И.Зарубинский, Г.П.Панасенко).

14. Инструкция по изучению и прогнозированию гидрогеологических условий угольных месторождений при геологразведочных работах. Ростов н/Д: ВНИГРИуголь, 1985. (Соавт. Я.И.Зарубинский, Г.П.Пансенко, Ю.П.Аземко).

15. Критерии выбора шахты-гидрогеохимического аналога при прогнозировании химического состава и свойств шахтных вод методом аналогии // Гидрохимические материалы. T.CXI: Формирование химического и изотопного состава природных вод в условиях антропогенного воздействия. Спб: Гид-рометеоиздат, 1994. (Соавт. Г.П.Панасенко) .

16. Охрана подземных вод // Справочник по охране геологической Среды. Ростов н/Д: Феникс, 1996. (соавт. Г.П.Панасенко).

17. Захоронение отходов промышленного производства и охрана недр // Там же.

18. Прогнозирование общих водопритоков в горные выработки // Там же. (Соавт. Г.П.Панасенко). ?

.Л/' :>' . ii'f--''/> v /

РОКГС. lanai № /3b ? тираж «£=