Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Структурные преобразования песчаников Донбасса и прогноз их выбросоопасности

ВАК РФ 04.00.16, Геология, поиски и разведка месторождений твердых горючих ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Структурные преобразования песчаников Донбасса и прогноз их выбросоопасности"

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ

СТРУКТУРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕСЧАНИКОВ ДОНБАССА И ПРОГНОЗ ИХ ВЫБРОСООПАСНОСТИ

04.00.16. - Геология твердых горючих ископаемых

Автореферат диссертации на соискание научной степени доктора геологических наук

РГ6 од

" ь дек гг\ •

УДК 552.513:622.831.322

БАРАНОВ Владимир Андрееви1

ДНЕПРОПЕТРОВСК - 2000

Диссертацией является рукопись

Работа виполнена в отделе геологии угольных месторождений больших глубин в Институте геотехнической механики HAH Украины (г. Днепропетровск)

Научный консультант - академик HAH Украины, доктор геолого-

минералогических наук, профессор

ЗАБИГАЙЛО Владимир Ефимович.

Официальные оппоненты:

- доктор геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник УЗИЮК Василий Иванович, исполняющий обязанности заведующего отдела геологии угольных месторождений Института геологии и геохимии горючих ископаемых HAH Украины (г. Львов);

- доктор геолого-минералогических наук, профессор КОРЧЕМАГИН Виктор Александрович, профессор кафедры разведки месторождений полезных ископаемых Донецкого государственного технического университета, Министерство просвещения и науки Украины;

- доктор технических наук, старший научный сотрудник КОЛЕСНИКОВ Владимир Григорьевич, заведующий отдела горной аэрогазодинамики Института геотехнической механики HAH Украины (г. Днепропетровск).

Ведущая организация - Институт геологических наук HAH Украины (г. Киев), отдел геологии угольных месторождений.

Защита состоится " 23 " ноября 2000 г. в 14°° часов на заседании специализованного совета Д 08.080.05 в Национальной горной академии Украины, Министерство просвещения и науки Украины (г. Днепропетровск).

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Национальной горной академии Украины, Министерство просвещения и науки Украины, по адресу: г. Днепропетровск, пр. К. Маркса, 19, тел. (0562) 47-24-11.

Автореферат разослан " _^_ 2000 г.

Ученый секретарь специализованного совета,

кандидат геол.-мни. наук А.Л. ЛОЗОВОЙ

7//J? У SS- / У П

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Перспективы развития угольной промышленности Донецкого бассейна связаны с освоением глубоких горизонтов, что приводит к усложнению технологических процессов и ухудшению безопасности условий труда. Это объясняется тем, что работы выполняются в сложных горногеологических условиях в замкнутом пространстве, где происходят не всегда прогнозируемые явления: внезапные выбросы пород, горные удары, суфлярные выделения метана, обрушения.

Выброс породы и газа - сложный процесс разрушения газонасыщенного массива, сопровождающийся выделением значительных количеств метана, отбросом породы, образованием полостей, превышающих сечение выработки. Выделившийся метан создает угрозу взрыва, вследствие опрокидывания воздушных вентиляционных потоков и резкого повышения загазованности выработок. Взрывной волной разрушается крепь и горное оборудование. Образовавшиеся полости нужно закладывать с применением необходимых для этого материалов. Все это приводит к значительным затратам на ликвидацию последствий данного явления.

В настоящее время разработаны и применяются на шахтах текущий прогноз - проводимый непосредственно в забоях горных выработок и локальный -по геолого-геофизическим данным. Ведение текущего прогноза по всей длине выработки экономически невыгодно, а наличие выпукло-вогнутых дисков в керне опережающих скважин не всегда характеризует выбросоопасную ситуацию. Локальный прогноз не выгодно применять при проходке коротких выработок и уклонов. Разработка метода комплексного прогноза на основе локальной и текущей оценки выбросоопасности горных пород сдерживается недостаточной изученностью структурных преобразований песчаников в процессе катагенеза, недостаточной обоснованностью выделения границ выбросоопасности и их связи с катагенезом, недостаточной изученностью распределения напряженного состояния пород и влияния этих свойств на выбросоопасность.

Исходя из вышеизложенного, исследования структурных преобразований песчаников Донбасса в процессе катагенеза, позволяющие обосновать локальные и региональные закономерности выбросоопасности и разработать метод комплексного прогноза выбросоопасности горных пород, применение которого повышает эффективность и безопасность горных работ на шахтах, является актуальной задачей.

Связь работы с научными программами, плачами н темами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с плановыми исследованиями по важнейшей научной тематике Института геотехнической механики HAH Украины, на основе договора А 219202000 с Минуглепромом Украины. Институту геотехнической механики HAH Украины было поручено решение комплексной

проблемы: "Разработать системы контроля, способы и технологии управления состоянием предельно напряженных выбросоопасных горных пород и углей". В данный комплекс входит работа: А 219202160 "Разработать комплексный метод прогноза, основанный на локальной и текущей оценке выбросоопасности горных пород", ответственным исполнителем которой является автор. Результаты работ по исследованию выбросоопасности для разработки метода комплексного прогноза вошли составной частью в данную работу.

Цель н задачи исследования. Целью диссертационной работы является установление особенностей структурных преобразований песчаников Донбасса, связи этого процесса с выбросоопасностью и разработка на этой основе теоретических положений и практических критериев метода комплексного прогноза выбросоопасности горных пород.

Для достижения поставленной цели нужно решить ряд задач:

- установить закономерности структурных преобразований песчаников Донбасса и определить их влияние на катагенетические изменения;

- установить региональные структурно-минералогические особенности угле-вмещающих песчаников Донбасса, возникающие в процессе катагенетических преобразований и тектонических напряжений;

- установить стратиграфические закономерные изменения структурных преобразований песчаников Донбасса и их связь с выбросоопасностью пород и катагенезом;

- разработать научно обоснованный метод комплексного прогноза выбросоопасности с учетом установленных закономерностей структурных преобразований пород.

Идея работы заключается в определении закономерных связей структурных преобразований углевмещающих песчаников с выбросоопасностью горных пород.

Методы исследования. Использовались как традиционные в геологии методы: петрографические, литолого-фациальные, математические, метод аналогий, методы структурной геологии, так и разработанные автором: метод определения относительной нарушенное™ пород, метод определения границ выбросоопасности пород и стадий катагенеза, метод определения зоны влияния скважин на выбросы в углях и породах, метод качественного определения анизотропии напряженного состояния пород в горном массиве, метод комплексного прогноза выбросоопасности песчаников Донбасса. Все разработанные методы имеют связь со структурными преобразованиями пород.

Научные положения, представленные к защите:

1. Структурные преобразования являются одним из основных результатов катагенеза песчаников Донбасса.

2. Катагенетические преобразования совместно с тектоническими напря-

жениями более значительно уплотнили песчаники Донбасса относительно других бассейнов, что привело к увеличению закрытой пористости в mix, возникновению внутризерновых и межзерновых сутурных, стилолитовых и целого комплекса других пластических деформаций, к слабому развитию процессов регенерации и коррозии, отсутствию эффекта Рикке, формированию губчатой структуры в породообразующем кварце.

3. Количественный показатель структурных преобразований и тектонических напряжений, выражающийся коэффициентом относительной нарушенно-сти кварца песчаников, в сочетании со значениями открытой пористости этих же пород, определяют границы выбросоопасности песчаников.

4. Основой метода комплексного прогноза выбросоопасности горных пород является оценка геологических показателей выбросоопасности и степени анизотропии напряженно-деформированного состояния горного массива.

Научпая новизна полученных результатов работы состоит в том, что:

- установлено свойство пород (песчаники Донбасса, джеспилиты Кривого Рога, трепелы, глинистые сланцы Крыма), минералов (обломочный кварц песчаников Донбасса, галит, горный хрусталь, кремень), минералоидов (уголь, янтарь), искусственных веществ (стекло, эпоксидная смола), образовывать системы плоскостей скольжения субпараллельные по направлению и с соизмеримыми расстояниями между ними при анизотропном распределении энергетического воздействия и кристаллоподобные тела, соизмеримые на разных иерархических уровнях, при изотропном распределении энергетического воздействия;

- в углевмещаюших песчаниках Донбасса установлено формирование комплекса пластических микродеформаций (внутризерновых и межзерновых сутуров и стилолитов, губчатой структуры, изогнутых и S - образных плоскостей деформаций, пламеневидной структуры), возникающих и преобразующихся под действием прогрессивных катагенетических и тектонических процессов;

- установлено общее увеличение карбонатности, гидрослюд магниевого состава, обломков эффузивов и диабазов в северо-восточных районах и кремнезема, кремнистых новообразований, обломков яшмоидов и слюдистых кварцитов в юго-западных районах Донбасса;

- установлено уменьшение средних размеров обломочных зерен углев-мещающих песчаников Донбасса, а также уменьшение значений коэффициентов вариации и степени дисперсии этих размеров со степенью катагенеза;

- установлена степенная корреляционная связь значений открытой пористости со значениями коэффициента пластических микродеформаций обломочных зерен, имеющая две точки инверсии, в которых происходит изменение знака этой связи с отрицательного на положительный и с положительного на отрицательный, изменение свойств песчаников Донбасса на качественном уровне и степени ее выбросоопасности;

- установлено закономерное изменение степени выбросоопасности пород в зависимости от степени анизотропии распределения напряженно-деформиро-

ванного состояния в горном массиве на локальном уровне.

Практическое значение полученных результатов состоит в том, что:

- разработан показатель микродеформаций горных пород: коэффициент относительной нарушенное™, характеризующий степень структурных преобразований и тектонических напряжений, а также степень выбросоопасности горных пород;

- разработана методика определения региональных границ выбросоопасности горных пород и степени катагенетических преобразований;

- разработан метод определения степени анизотропии напряженно-деформированного состояния горного массива;

- разработан метод определения зоны влияния геологоразведочных скважин на выбросоопасность углей и углевмещающих пород;

- разработан метод комплексного прогноза выбросоопасности горных пород на основе рационального комплекса геологических и горнотехнологических критериев выбросоопасности.

Реализация работы в промышленности:

- проведена экспериментальная проверка метода комплексного прогноза выбросоопасности горных пород в горных выработках шахт "Красноармей-ская-Западная-1" и им. А.Г. Стаханова ПО "Красноармейскуголь", показавшая надежность, достоверность и экономическую эффективность применения разработанного метода прогноза;

- метод комплексного прогноза внедрен на шахте им. А.Г. Стаханова, при выполнении прогноза выбросоопасности песчаника ЦБЦ;

- геологоразведочным организациям Государственного Комитета по геологии и использованию недр Украины и Минуглепрома Украины переданы и рекомендованы для применения методика определения коэффициента относительной нарушенности пород, методика определения региональных границ выбросоопасности горных пород и методика определения степени изотропии напряженно-деформированного состояния горного массива.

Достоверность и надежность научных положений и выводов подтверждается необходимым и достаточным объемом результатов экспериментальных исследований и фактических данных, научной обоснованностью методического подхода к анализу полученных экспериментально и имеющихся в литературе фактов, а также сходимостью результатов определения степени напряженного состояния горного массива и степени его анизотропии с результатами других методов на разных иерархических уровнях.

Личный вклад соискателя. Автором диссертации обоснована идея и научно-практическое направление в решении проблемы комплексного прогноза выбросоопасности песчаников Донбасса; определены цель и задачи исследования; сформулированы научные положения, которые выносятся на защиту, выводы и рекомендации; установлены закономерности структурных преобразований песчаников на площади и в стратиграфическом разрезе Донбасса; определены

условия формирования кристаллоподобных тел и систем плоскостей скольжения; установлены внутризерновые сутурные и стилолитовые микродеформации, образование губчатой структуры в зернах кварца, уменьшение средних размеров, значений коэффициентов вариации и степени дисперсии обломочных зерен песчаников Донбасса с палеоглубиной; разработан показатель относительной нарушенное™ горных пород; разработаны методики количественной оценки границ выбросоопасности пород, степени катагенеза, степени анизотропии напряженно-деформированного состояния горного массива, зоны влияния геоло-горазведывательных скважин на выбросоопасность углей и пород; разработан научно обоснованный метод комплексного прогноза выбросоопасности пород.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы на отдельных этапах ее выполнения докладывались на заседаниях Всесоюзной научной школы в Симферопольском государственном университете (г. Симферополь, 1990,

1998 гг.), на Всесоюзном минералогическом семинаре в Институте геологии КомиНЦ (г. Сыктывкар, 1989, 1992 гг.), на Всесоюзной Научной конференции вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов (г. Москва, 1991 г), на Всесоюзных конференциях в ИГГГИ НАНУ (г. Львов, 1991, 1992, 1995 гг.), на научных конференциях в НГА Украины (г. Днепропетровск, 1995, 1997, 1998, 1999, 2000 гг.), на международной конференции в ДГМИ (г. Алчевск,

1999 г.), на научных семинарах отдела геологии угольных месторождений больших глубин ИГТМ HAH Украины (г. Днепропетровск, 1985 - 2000 гг).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 43 научных рабо- • тах, вышедших после защиты кандидатской диссертации, го них 21 без соавторов. Руководство в соавторстве - 1; статей в научных журналах - 16; статей в сборниках научных трудов - 8; авторских свидетельств и патентов - 5; статей депонированных в ВИНИТИ и ДНТБ Украины -3; материалов и тезисов научных конференций - 10. Таким образом, в специализированных изданиях опубликовано 24 работы, включая 3 патента, (из шгх 15 без соавторов).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 7 разделов, изложенных на 295 стр. машинописного текста, содержит 33 таблицы, 46 рисунков, 287 библиографических названий, 10 приложений.

Автор благодарен научному консультанту академику HAH Украины, доктору геолого-минералогических наук, профессору |В.Е. Забигайло| за постоянное внимание, помощь и поддержку оказанную им при выполнении работы.

Научные консультации и практическую помощь в выполнении исследований, реализации научных идей, их критической оценке и проверке на разных этапах выполнения оказывали доктор геолого-минералогических наук В.В. Лу-кинов, кандидаты геолого-минералогических наук С.С. Козлов, В.А. Гончарен-со; Л.И. Пимоненко, H.A. Пимоненко, И.В. Дудок, O.E. Иванцив, инженер Л.Ф. Маметова, за что автор им глубоко признателен.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Раздел 1. Анализ состояния проблемы и задачи исследования.

Развитию теоретических и практических аспектов проблемы выбросо-опасности пород и углей посвящены работы Ф.А. Абрамова, А.Д. Алексеева, В.Г. Белоконя, М.И. Большинского, A.M. Брижанева, А.И. Боброва, А.Ф. Булата, В.Е. Забигайло, А.Н. Зорина, Б.М. Иванова, А.И. Кравцова, В.В. Кирюкова, В.В. Лукинова, В.И. Николина, Г.А. Шевелева, А.З. Широкова и других ученых.

В исследование проблем напряженно-деформированного состояния пород Донбасса, катагенетических преобразований, закрытой микропористости, пластических деформаций, внесли значительный вклад Н.Б. Вассоевич, Д.П. Григорьев, Х.Ф. Джамалова, Н.П. Ермаков, H.A. Елисеев, П.В. Зарицкий, В.А. Калюжный, В.Г. Колесников, В.А. Корчемагин, A.B. Копелиович, Г.А. Каледа, Г.В. Карпова, О.С. Лизун, Н.В. Логвиненко, А.Е. Лукин, Е.К. Лазаренко, В.И. Муравьев, В.Н. Нагорный, Ю.Н. Нагорный, В.И. Павлишин, Л.Б. Рухин, А.Я. Радзивилл, Н.М. Страхов, Ю.Н. Сеньковский, О.И. Слензак, В.И. Узиюк, В.Ф. Шульга и другие исследователи.

Анализ работ, посвященных структурным преобразованиям минералов и пород, их связи с катагенезом и выбросоопасностью, показывает низкий уровень изучения указанных связей и закономерностей. Ряд проблем остался без окончательного решения. К основным относятся: установление особенностей структурных преобразований песчаников Донбасса, обоснование и прогноз нижней и верхней границ выбросоопасности, связь выбросоопасности со катагенезом, определение структурных изменений с палеоглубиной и связь этих изменений с выбросоопасностью.

Закономерности вторичных преобразований углевмещающих пород Донбасса изучены недостаточно. Отчасти это связано с тем, что Донбасс, в силу неблагоприятных коллекторских параметров, считался малоперспективным в отношении газонефтеносности. Это одна из основных причин, вследствие чего так мало работ по петрографии и структурным преобразованиям пород Донбасса.

Обзор научных работ по выбросоопасности, структурным преобразованиям пород Донбасса и их связь с выбросоопасностью, позволил определить наличие важной научной и практической проблемы, сформулировать цель и задачи исследований, которые приведены в общей характеристике работы.

Раздел 2. Методика исследований.

Методической основой работы было исследование структурных преобразований песчаников Донбасса на разных стадиях катагенеза, в девяти геолого-промышленных районах, с юго-западных окраин до северо-восточного борта, определение особенностей этих преобразований и их связь с выбросоопаностью. В работе представлены результаты эмпирических исследований геологических

объектов на двух уровнях организации - для минералов и горных пород.

Для получения сравнимых характеристик структурных изменений дополнительно изучались джеспилиты Кривого Рога, сланцы Крыма, известняки Днепровско-Донецкой впадины, трепелы Приднепровья, кремень и соль окрестностей Артемовска, янтарь из Прибалтики, горный хрусталь Урала, стекла, эпоксидная смола, угли Донбасса.

В качестве основных и наиболее апробированных методов использовались оптическая и электронная микроскопия. При оптических исследованиях под микроскопами ПОЛАМ - Pill и МБС - 2, изучались шлифы, плоско-параллельные пластины без покровных стекол, естественные сколы, аншлифы, при увеличениях от 3,5х до 1000х. Использовались проходящий, отраженный и боковой свет, счетное устройство типа ПМН - 1, препаратоводитель типа CT - 12, фотоаппарат ZENIT - TTL. Метод просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) использовался с применением прибора ЭМВ - ] 00Л. Исследования выполнялись при увеличениях от 2х до 100х тысяч методом двухступенчатых углеродных реплик.

Структурные преобразования песчаников Донбасса определялись качественно (виды и подвиды пластических микродеформаций, их системы, форма, размер и распределение газожидких включений в обломочном кварце) и количественно (при помощи коэффициента нарушенное™ К н, %, учитывающего процентное количество обломочных зерен кварца с микродеформациями). Для обработки полученных результатов использовались общепринятые методы математической статистики и персональный компьютер типа PENTIUM.

В качестве основных объектов исследований были приняты действующие шахты и участки разведки в следующих районах: Павлоградско-Петропавловс-ком, Красноармейском, Южно-Донбасском, Донешсо-Макеевском, Центральном, Чистяково-Снежнянском, Алмазно-Маръевском, Луганском, Краснодонском. Пробы отбирались из керна геологоразведочных скважин и из забоев горных выработок шахт. Всего было отобрано и изучено более 2000 проб пород.

В целом, для решения сформулированных задач использованы методы, приборы и аппаратура, позволяющие в настоящее время получить наиболее надежную и достоверную информацию, а также фактические данные о структурных изменениях, катагенетических преобразованиях, выбросоопасности горных пород. Комплекс методов исследований включал в себя полевые работы: отбор проб из керна геологоразведочных скважин, керна опережающих скважин в шахтах, забоев горных выработок; литолого-фациальное описание керна скважин и забоев горных выработок; камеральные работы: сбор первичных геолого-геофизических материалов по данным каротажных диаграмм; определение структурных петрографических показателей и минералогического состава в отобранных пробах; электронно-микроскопические исследования различных по составу и структуре веществ методом двухступенчатых углеродных реплик, полу-

ченных со сколов данных веществ; построение геологических разрезов, карт распространения палеопотоков и шопахит песчаников; лабораторные методы определения геологических показателей выбросоопасности горных пород; математические и графические методы обработки результатов исследований; методики и результаты экспериментальных работ на шахтах и приемочных испытаний метода комплексного прогноза выбросоопасности горных пород.

Выбор критериев выбросоопасности, разработка новых показателей и усовершенствование имеющихся, выполнены на основе собранных данных, методов и показателей, разработанных автором и использованных в работе.

Раздел 3. Структурные преобразования на разных уровнях организации вещества.

По мнению Н.В. Логвиненко, Н.Б. Вассоевича и других ученых - структура вещества является чутким индикатором смены внешних условий среды и отражает термобарические и физико-химические изменения, которые происходят в процессе катагенеза.

Анализ литературных и эмпирических данных позволил автору диссертации установить, что катагенетические изменения, газодинамические явления, распределение газов в закрытых и открытых порах минералов и пород, явления фильтрации и диффузии, изменение коллекторских и физико-механических свойств терригенных отложений имеют качественную и количественную связь со структурными преобразованиями.

Накопленный в период седиментогенеза осадок проходит целый ряд физико-химических преобразований, которые приводят к определенным качественным изменениям, в первую очередь, структуры вещества. Песок, в условиях литогенеза, преобразуется в песчаник, последний - в кварцит; торф преобразуется в уголь, а последний — в графит. Смена названия исходного вещества характеризует качественный скачек в ее свойствах на новый уровень. В перерывах между этими преобразованиями, в соответствии с общеизвестными геологическими законами, происходит накопление потенциальной энергии в породе за счет изменения температуры, давления, физико-химических и физико-механических преобразований.

Структурные преобразования в диссертационной работе рассматриваются как процесс совокупных изменений формы, размеров, нарушения целостности вещества от кристаллической решетки до трещин и макродеформаций.

Приближение всех веществ к сетке правильной формы было обнаружено учеными с помощью оптических приборов еще в середине XIX века. В.И. Вернадский (1988), на основе детального анализа литературных данных, пришел к выводу, что причина образования правильных форм вещества заключается в основных принципах учения об энергии и об условиях равновесия молекулярных систем.

В конце XIX века, начале XX, А.П.Карпинский (1888), У. Хоббс (1904), Р. Зондер (1938), Г. Штилле (1947,1964), Н.С. Шатский (1946) и другие, установили существование сети разломов на мегауровне.

Наконец, Е.М. Смехов (1961,1974), С.С. Шульц (1983), Д.И. Гарбар (1973) и другие исследователи, на основе большого фактического материала установили, что трещиноватость в большинстве своем развита в горных породах вовсе не хаотично, а сложена в правильные системы трещин, образующие определенные геометрические сетки.

Таким образом, к середине XX века образование тел правильных геометрических форм, было установлено на оптическом, макроскопическом (трещинном) и мегауровне (линеаменты). Примерно с начала 80-х годов, многие исследователи начали устанавливать геометрически правильные формы разных размеров и в разных веществах.

Исследования, выполненные автором под электронным микроскопом, при содействии Н.А. Пимоненко, позволили в угле, а затем в кварцевых зернах уг-левмещакмцих песчаников среднего карбона установить следы плоскостей скольжения. Необычной была выдержанность расстояний между следами плоскостей скольжения и соизмеримость их в угле и кварце. Позже, на плоскостях сколов указанных веществ были установлены частицы правильных геометрических форм, явившиеся продуктом разрушения этих веществ и имевшие размеры от 1-2 до 35-40 мк. Привлекла внимание четкость геометрических форм микрочастиц кварца, ведь согласно общепринятому мнению спайность в кварце отсутствует или весьма несовершенна по ромбоэдру, а это противоречило полученным фактам.

По данным Минералогической энциклопедии (1985), на начало 80-х годов электронно-микроскопическим и оптическим методами установлено одиннадцать систем пластического скольжения в кварце, часть их была установлена в искусственно деформированном синтетическом кварце. Характерно, что по результатам приведенных в указанной работе исследований в казвдом образце наблюдается только небольшое число систем скольжения - обычно в пределах четырех. Это правило подтверждено для кварца песчаников Донбасса.

Последующие исследования позволили автору диссертации установить частицы кристаллоподобных форм на сколах в янтаре, галите, стекле, кремне, угле, горном хрустале, эпоксидной смоле, которые были названы квазикристаллами. Почти во всех исследованных под электронным микроскопом веществах было установлено две фракции частиц каждого вещества Размеры меньших фракций меняются от 2,0 мк для янтаря из Калининграда, до 6,8 мк для тонкого оконного стекла (Ь = 4 мм). Размеры больших фракций варьируют от 6,8 мк для угля Донбасса и янтаря, до 13,2 мк для тонкого оконного стекла. Средние размеры большей и меньшей фракций для определенного вещества отличаются в два - три раза, поэтому для веществ с частицами двух фракций были рассчита-

ны показатели или коэффициенты фрактальности, согласно Е. Федеру (1991). Данный показатель для рассмотренных веществ меняется от 1,30, для кремня, до 2,77, для янтаря из Калининграда.

Перечисленные вещества представляют целую гамму физико-механических, кристаллографических, физико-химических и иных различий, но форма частиц и размеры для каждого уровня - сопоставимы. Наиболее приемлемым объяснением данного явления, вероятно, можно считать стремление вещества к термодинамическому равновесию, что определяет следующий вывод: изменение термодинамического равновесия вещества является причиной его структурных преобразований.

Значения острых углов квазикристаллов меняются от 60° для янтаря из Калининграда, до 78° для галита из Артемовска. Угол 60° оказался критическим, а квазикристаллы с острым углом менее 60° не установлены.

Параллельно выполнялось изучение веществ на оптическом микроскопе типа ПОЛАМ-РШ и бинокуляре МБС-1. В качестве препаратов использовались стандартные шлифы горных пород, сколы различных веществ и их частицы, образующиеся вследствие его разрушения (раскола).

Для поиска кристалловидных частиц различные вещества раскалывались, по логике, в местах пластически деформированных, а частицы, образующиеся при этом, собирались на препаратное стекло и просматривались под микроскопом в отраженном и проходящем свете. Этот подход позволил установить частицы вещества с кристаллоподобными формами у всех, перечисленных выше для электронной микроскопии, веществ.

Таким образом, электронно-микроскопическим и оптическим методами были установлены системы плоскостей скольжения, как результат анизотропии напряженного состояния вещества, с последующим образованием пластин соизмеримой толщины и таблитчатая (сетчатая) структура, как результат изотропии напряженного состояния вещества, с последующим образованием тел кри-сталлоподобной формы. Абсолютная изотропия пород и минералов, явление редкое и следствием его наличия, является образование сетки или частиц с равными сторонами, то есть квадратов или ромбов в плане. Поскольку неполная изотропия встречается чаще, результатом этого является образование сетки или частиц удлиненной формы с коэффициентом формы а/в (отношения длинны к ширине) от 1,1 до 2,0.

Подтверждением наличия указанных геометрических сеток является образование отдельности в различных породах и минералах, как следствие термодинамических процессов, так и синерезиса Но отдельность и геометрические сетки трещин образуются в изотропных условиях перераспределения энергии, в случае же анизотропии, образуются плоскости скольжения, разбивающие массив на параллельные слои. Сюда можно отнести кливаж, образование выпукло-вогнутых дисков в керне скважины.

На стенках полости выбросов образуется, так называемая, "чешуя", а песчаник в месте выброса делится на, так называемые, "пятаки". Характерно, что "чешуя" и "пятаки" часто имеет геометрические формы, что указывает на изотропию напряжений в месте выброса. Толщина указанных частиц примерно на порядок меньше средних размеров, что установлено по фактическим замерам значительного количества этих частиц (более 1000). Интересен факт образования квазикристаллов (чешуи кристаллоподобных форм), отличающихся по размерам в разных местах выбросов пород и на разных шахтах, что может быть объяснено разной степенью напряжений.

В Криворожье, на железорудных шахтах, часто используется плазменное разбуривание технологических скважин до заданных размеров. Скважину с диаметром до 12 см расширяют до диаметра в несколько десятков см, посредством ввода факела и прогрева пород. Нагретая порода стенок скважины отшелушивается и осыпается вниз. Анализ этих шелушек выявил интересную деталь. В тупиковых скважинах, где прогрев вдет более полно (нет продувки), большая часть шелушек имеет правильные геометрические формы. В открытых скважинах (или сквозных), где есть естественная продувка, таких частиц нет или очень незначительное количество.

Факты, приведенные выше, имеют одно общее объяснение - геометрические сетки являются следствием процесса пластических деформаций, прошедшего в максимально полном объеме. Если этот процесс не завершен, прерван, геометрическая сетка не образуется, а значит не образуются квазикристаллы, либо их количество очень незначительно. Поэтому наличие квазикристаллов на разных иерархических уровнях является свидетельством определенных условий перераспределения внешних или внутренних напряжений в веществе.

Для магматических пород отдельность, кливаж, блочность - общеизвестные факты. В литературе достаточно полно описано образование параллелепи-пеидальной, ромбоэдрической и других видов отдельности в магматических породах, что является частью более общего свойства вещества структурироваться под воздействием изменения энергетического состояния. Образование блоков правильных форм в породах Донбасса со стороной 300-350 метров впервые описано Г.А. Ивановым, Л.И. Сарбеевой (1940).

В диссертационной работе рассмотрены условия, приводящие к образованию квазикристаллов. Образование сотовых или сетчатых структур в минералах интрузивов, как следствие полиморфных превращений, вызывает изменение их удельного веса и объема. Этот процесс был впервые разъяснен А.Е. Ферсманом в 20-е годы на примере а-р превращений кварца, вызывающих сокращение объема его зерен при охлаждении породы от 600 до 300° С на 5,36 %, а позже описан для других минералов. Таким образом, при полиморфном превращении или, при переходе одной модификации минералов в другую, происходит изменение структуры, что приводит к образованию сеток или сот вещества с правильными

геометрическими формам». Этот процесс следует отнести ко вторичному, наложенному.

Меняются условия, вещество переходит из стабильного в метастабильное состояние и структура вещества изменяется, приобретая энергетически оптимальную для новых условий форму. Такой процесс, хорошо изученный и описанный происходит при изменении формы включений. По данным Г.Г. Лемм-лейна (1951), Н.П. Ермакова (1972), В.А. Калюжного (1982), форма включений стремится к энергетическому равновесию и, в конечном счете, к форме минерала-хозяина, не зависимо от того первичное включение или вторичное.

Образование тел правильных геометрических форм происходит и в организме человека. Почечные и желчные конкременты часто имеют относительно правильные геометрические формы: призмы, пирамиды, скаленоэдры, бипира-миды. Конкременты, имеющие форму, состоят из ядра, тела и корковой части. Ядро всегда аморфно, тело условно можно разделить на две зоны: бесформенную и формообразующую. Вторая отличается от первой наличием концентрически-зональной структуры. Образование формы зависит от условий и вещества (наличия минеральных примесей). Ядро и внутренняя часть (бесформенная) тела, при благоприятных условиях формируют квазикристаллические оси, отличающиеся повышенным энергетическим потенциалом, по которым нарастание вещества идет с большей скоростью. Стремление к естественной огранке обусловлено тем, что она обеспечивает наименьшую поверхностную энергию тела вещества при данном его объеме. Это свойство термодинамики справедливо и для образования формы включений в минералах. Поскольку образование формы конкремента происходит в процессе роста, его следует отнести к первичным, генетическим или ростовым.

Примерно по такому же сценарию вдет процесс образования клатратов в газогидратах; образования правильных групп кратеров с шестиугольными стенками в потухших вулканах, описанный доктором физико-математических наук М.И. Рабиновичем (1991); образования фуллеренов, открытых в 1985 году, представляющих собой полое углеродное многогранное тело, подобное футбольному мячу; четырех-, пяти- или шестигранных полигонов поверхности почв, как следствие морозных трещин.

По данным Ю.А. Косыгина и др. (1983, 1986), равномернозернистые пески, состоящие из хорошо окатанных сферических зерен при наиболее плотной их укладке, будут обладать правильной тетраэдрической решеткой с равным расстоянием между центрами масс смежных зерен. Пески с менее плотной укладкой могут обладать правильной кубической решеткой с равным расстоянием между центрами масс соприкасающихся зерен. Первичную структурную единицу данный автор именует элементарной группой, "гнездом" или ритмом и считает, что аналогичные решетки могут существовать также у равномернозерни-стых кристаллических пород.

В Терминологическом справочнике по тектонической терминологии (1970) указывается, что в таких элементарных ячейках, именуемых там телом, существуют векторы упорядоченности, центры, оси и плоскости симметрии, в этих ячейках можно определять градиенты структурной анизотропии по каждому вектору и выявлять свойства границы тела "изнутри". Следует обратить внимание на то, что речь здесь идет о квазиосях, поскольку это не кристаллические оси минералов. Что касается векторов упорядоченности, возникновения центров и плоскостей симметрии квазикристаллов, то очень наглядным примером являются упомянутые выше конкременты с формой многогранников. Указанные выше свойства на таких квазикристаллах очень наглядны и просты в изучении.

Таким образом, при определенных термодинамических условиях, породы, минералы, минералоиды, вещества полученные искусственным путем, принимают кристаллоподобные формы, как следствие изотропии энергетического состояния данного вещества или образуют субпараллельньге плоскости скольжения, как следствие анизотропии энергетического состояния вещества Данное свойство может быть первичным, то есть, проявляться в период формирования данного вещества (конкременты, клатраты в газогидратах, квазикристаллы или ячейки в песке и т.д.) и вторичным, то есть, проявляться в период вторичного преобразования или энергетической эволюции вещества (отдельность в минералах и породах, при выбросах пород и термообработке, при полиморфных превращениях и образовании включений геометрических форм). Это свойство существует в природе, его можно воссоздать в лабораторных условиях.

В соответствии с законами термодинамики, минимумом свободной энергии обладают тела с наибольшей упорядоченностью и компактностью расположения структурных частиц. Таким образом, точно так же, как при кристаллообразовании природа конструирует для разных вещеста определенную форму первичной элементарной ячейки и соответствующую ей микроформу минералов, так при изменении энергетического состояния, природа конструирует из различных веществ квазикристаллические формы, энергетически более выгодные и устойчивые.

Вышеприведенное означает, что разные вещества, в общем, и горные породы, в частности, в разных природных условиях становятся более или менее устойчивыми к разрушению. Исследования структурных преобразований минералов и пород позволяет определять эти условия и прогнозировать изменение свойств изучаемых объектов.

Раздел 4, Структурные преобразования песчаников Донбасса.

В данной главе процесс структурных преобразований рассмотрен применительно к конкретным условиям, для углевмещающих песчаников Донецкого

бассейна. При решен™ этой задачи был разработан количественный показатель, отражающий структурные изменения при энергетических воздействиях.

В породообразующем кварце углевмещающих песчаников Донбасса установлено повсеместное развитие всех известных ранее видов пластических микродеформаций, явившихся следствием катагенетических и тектонических напряжений в массиве. На основе этих данных был разработан коэффициент, учитывающий следы пластических деформаций в шлифах песчаников, который отражает степень относительной нарушенное™ песчаников.

Для расчета указанного коэффициента относительной нарушенное™ горных пород, была разработана эмпирическая формула:

Кн. = (£т/1М)х 100%, (1)

где 1т- суммарное количество породообразующих минералов со следами пластических микродеформаций;

ЕМ- суммарное количество исследованных породообразующих минералов песчаной фракции.

Описанные показатели определяются при помощи оптического микроскопа с увеличениями от 60 до 100 крат при боковом освещении в стандартных шлифах. Боковое освещение проявляет газожидкие включения на темном поле минералов и таким методом они достаточно четко идентифицируются. Газожидкие включения, декорирующие пластические микродеформации, получили название "бемовская штриховка". Для выполнения подсчетов необходимо просмотреть 200-250 обломочных зерен породы.

По литературным данным и результатам исследований, было установлено, что для каждого конкретного региона характерно преобладание какого либо одного вида микродеформаций. Для осадочных пород Донбасса таким видом являются полоски Бема - плоскости пластических деформаций в породообразующих минералах, декорированные газожидкими включениями. Причиной этого стало, вероятно, большое количество газов, находящихся под давлением в слабопроницаемых карбоновых песчаниках Донбасса и проникших в плоскости пластических микродеформаций во время их образования. В количественном отношении полоски Бема занимают до 60-80 % от общего объема микродеформаций пород Донбасса.

Для исследования палеонапряженного состояния пород Донбасса на микроуровне отобраны пробы углевмещающих пород песчаников в забоях шахт и из керна геологоразведочных скважин. Из отобранных проб готовились стандартные шлифы нормально слоистости, в которых выполнялись исследования и определение значений приведенных выше показателей. Всего было исследовано

более 2000 шлифов и, соответственно, проб песчаников, отобранных в отложениях карбона ] 8 шахт и участков семи геолого-промышленных районов Донбасса. Районы исследований выбирались по принципу от периферии бассейна к центральной его части и далее от центра к периферии. Таким образом, исследовались породы от юго-западного борта бассейна, до северо-восточного. Изучались песчаники, вмещающие угли марок "Г","Ж","К","ОС",'Т", семи угленосных свит нижнего: С)3, С)4 и среднего карбона: С/ - С27.

Согласно полученным результатам, значения коэффициентов вариации показателя нарушенное™ в общем уменьшаются от периферии к центральной части бассейна и с увеличением палеоглубины. Средние значения этого показателя наоборот, увеличиваются от периферии к центральной части Донбасса и с ростом палеоглубины. Анализ приведенных значений по каждому району позволяет сделать вывод об увеличении средних значений нарушенности с палео-глубиной до определенного предела Причем, для прибортовых районов (Красноармейского, Краснодонского) это малозаметно, а для центральных районов проявляется в большей степени.

Для Донецко-Макеевского района показатель нарушенности возрастает до палеоглубины в районе развития углей ОС, затем значения уменьшаются. Для Центрального района эти значения тоже увеличиваются до пород вмещающих угли марки ОС, но дифференцировано, что указывает на несопоставимость полученных значений с параметрами степени углефикации, характеризующими степень катагенеза и палеоглубину. Полученные результаты указывают на проявление как региональных, так и локальных закономерностей формирования нарушенности.

Полученные данные были сопоставлены с показателями тектонической нарушенности на макроуровне, по Л.И. Пимоненко (1990). Сопоставление показало волнообразный характер изменения средних значений пластических микродеформаций для исследованных геолого-промышленных районов как в плане, тйк и по разрезу углевмещающей толщи. Показатели макронарушенности, также увеличиваются от периферии к центральной части бассейна.

Полученные результаты показывают качественную связь степени изменения микроструктуры с действием тектонических напряжений. Таким образом, исследования на микроуровне отображают степень напряженного состояния как в региональном масштабе, так и на отдельно взятых шахтных полях или участках разведки. С экономической точки зрения данный метод достаточно надежен и прост в исполнении.

В соответствии с задачами работы были изучены песчаники Донбасса, в которых описаны пластические микродеформации. Для этого были использованы шлифы проб углевмещающих песчаников юго-западной части Донбасса:

Павлоградско-Петропавловский, Красноармейский и Южно-Донбасский районы, центральной его части: Донецко-Макеевский, Центральный и Чистяково-Снежнянский районы и северо-восточной части: Алмазно-Марьевский, Луганский и Краснодонский районы. Таким образом, изучены пробы девяти районов Донбасса.

Полученные результаты показывают, что прибортовые районы Донбасса, характеризуются более значительным развитием коррозии, регенерации, растворения и переотложения минерального вещества песчаников по сравнению с центральными районами. Максимально, указанные процессы реализовались в Павлоградско-Петропавловском районе, где тектонические процессы проявились минимально, в вице сбросов. В целом, для исследованных районов Донбасса отмечается повышение карбонатности в цементе песчаников с юго-западных окраин до северо-восточного борта Отмечен разный состав обломков пород в песчаниках. Так, для юго-западных районов типичны обломки яшмоидов, слюдистых кварцитов, тогда как для северо-восточных районов типичными являются эффузивы и диабазы.

Центральные районы Донбасса, с наиболее тектонически деформированными породами, характеризуются значительным развитием пластических микродеформаций, как в породообразующих минералах (кварц, плагиоклазы, полевые пшаты) так и в цементе (вторичный карбонат, слюды), что можно объяснить большей скоростью погружения пород в карбоне и более значительными тектоническими напряжениями.

Установлено практически полное отсутствие "бородатых" зерен кварца, являющихся следствием известного эффекта Рикке и очень слабое развитие межзерновых микростилолигов, широко распространенных и описанных в породах других осадочных бассейнов. Для пород Донбасса характерным является сравнительно широкое (особенно в Центральных районах) распространение внутризерновых микростилолигов, микротектонитов и вторичных раскристал-лизованных карбонатов. На основе вышеизложенного можно сделать следующий вывод: процесс катагенетических преобразований осадочных пород Донбасса проходил в режиме, отличающемся от такового в других бассейнах.

Основная причина этого различия очевидна, это инверсия и тектонические напряжения в породах Донбасса, которые уплотнили породы до такой степени, что фильтрационная способность их стала минимальной, а процессы растворения и переотложения не смогли реализоваться в полной мере, в таких условиях. Именно по этой причине для пород Донбасса характерно широкое развитие пластических микродеформаций всех ранее описанных видов, а большое содержание газов в порах послужило причиной развития полосок Бема, как наиболее распространенного вида из всех известных микродеформаций, послужило причиной развития значительных объемов закрытой пористости - до 40 % от

общей пористости в центральных районах, по данным В.Е. Забигайло, А.З. Широкова (1972).

Проблемы образования микростилолитов, как межзерновых, так и внут-ризерновых, а также в породах, проблемы образования и эволюции закрытой пористости, до конца не решены. Поэтому ниже, они будут рассмотрены более детально с новых позиций - структурных преобразований минералов и пород.

По мнению К.И. Багринцевой (1985), образование сугуро-стилолитовых деформаций можно объяснить одновременно идущими в одном и том же объеме породы процессами растворения и рекристаллизации. Теоретически это вытекает из законов термодинамики, согласно которым точкам с максимальным давлением соответствуют максимальные концентрации растворенного вещества.

По результатам наших исследований определено, что процесс формирования сутуро-стилолитовых деформаций представляется в следующей последовательности: образование зоны пластических деформаций в месте максимального сжатия и развитие сетчатой зоны микродеформаций; образование генерального (сутурного) шва в указанной зоне; образование зубчатой сутуровидной структуры; образование стилолитовой структуры при благоприятных условиях дальнейшего сжатия, в сочетании с процессами растворения и переотложения вещества.

В. Ярошевский (1981), приводит данные об экспериментально установленном факте повышения хрупкости пород в определенных термобарических условиях. Это указывает на возможность проявления "ярусности" тектонической активности. Например, при образовании разломов, трещиноватых зон, некоторые интервалы глубин могут быть "податливее" выше и нижележащих интервалов.

По данным автора работы подобные структуры (квазикристаллы, сутур-ньге швы) могут образовываться не только при воздействии геостатических и тектонических напряжений, но и при синерезисе. Указанный процесс сопровождается уплотнением дисперсной структуры вещества (геля) с уменьшением объема на стадии диагенеза Образец подобной структуры, представленный трепелом из прослоя аркозовых песков поймы реки Волчья, найден автором в 1986 году. Острый угол клиньев в этом образце составляет 70°, что наглядно подтверждает теоретический вывод В.В. Белоусова (1948) об образовании угла между трещинами скалывания в пластичных породах менее 90°.

В песчаниках Донбасса широко развиты внутризерновые сутуры и стило-литы, межзерновые встречены в единичных случаях, при увеличениях в 250х и более. Межзерновые сутуры, по результатам эмпирических исследований, формируются двумя способами. Первый способ реализуется при жестком контакте двух обломочных зерен, причем сравнительно равноценных по твердости. В

этом случае образуется сетчатая зона пластических микродеформаций, в которой формируются клинья или зубцы. Перекристаллизация, диффузионные процессы, растворение и переотложение вещества - в комплексе формируют новую поверхность контакта - сутурную, вместо первичной (линейной, выпукло-вогнутой). При дальнейшем сжатии, сформированные клинья или зубцы, преобразуются в стилолитовые шипы.

В том случае, когда контактируют неравноценные по твердости поверхности зерен (ребро-грань), события развиваются несколько иначе. Более твердая поверхность внедряется в более пластичную, образуя различные виды выпукло-вогнутых, инкорпорационных структур внедрения.

Образование сутурных межзерновых контактов в процессе регенерации предполагает наличие вторичного контакта, образовавшегося за счет регенера-ционных каемок. В этом случае также можно выделить два подвида: линейный регенерациошшй контакт, в котором формируется вторичный сутурный шов и сутуровидный регенерационный первичный контакт, когда соприкасаются не поверхности обломочных зерен, а их регенерационные каемки, сформировавшиеся в виде сутурного шва. При дальнейшем повышении сжимающих напряжений, оба описанных сутурных шва могут образовать стилолитовый шов.

Раздел 5. Катагенетические преобразования пород и практическое использование этих изменений.

Рассмотрены результаты исследований закрытой пористости углевме-щающих пород на отечественном электронном микроскопе ЭВМ-100Л, методом двухступенчатых углеродных реплик, а также на оптическом микроскопе ПОЛАМ Р-111. Установлена и описана губчатая структура в кварце углевмещатощих песчаников. Уменьшение размера микропор прослежено до увеличения 100х тысяч на электронном микроскопе. Подобная структура в углях была описана ранее H.A. Пимоненко (1988).

На основе результатов исследований можно утверждать, что при определенных термобарических условиях газ или флюид, заключенный в поре и находящийся под большим давлением, стремится к энергетическому равновесию, что и является причиной дробления поры. По данным Б.Я. Любова (1981), усиление диффузионной проницаемости межзерновых границ с увеличением разо-риентировки зерен - хорошо известный экспериментальный факт, а коэффициент межзерновой диффузии быстро возрастает с увеличением угла разориенти-ровки и при значении этого угла в 30° увеличивается более чем в десять раз.

Для определения расстояний диффузионно-фильтрационного перемещения газов были использованы геологоразведочные скважины и их влияние на выбросоопасность. Подсчитывалось количество выбросов углей и пород в радиусе 250 метров от ближайшей скважины. Работа выполнялась с применением

планов горных работ масштаба 1 : 5000. Изучались угольные пласты марок от "Г", до "А" и вмещающие их песчаники. Подсчет производился на 10 шахтах Донецко-Макеевского района и отдельно на шахте им. A.A. Скочинского, где отмечено наибольшее количество выбросов пород. В таблицу заносились расстояния от каждого выброса к ближайшей скважине и азимут пространственной ориентировки направления выброс - скважина. На основе этих данных были построены круговые диаграммы распределения выбросов угля и пород относительно ближайшей скважины для указанных шахт. Приведенный радиус был выбран из учета средних расстояний между скважинами.

По результатам графоаналитических работ, зона влияния скважин на вы-бросоопасность для пород распространяется на 50-100 метров и в 2-3 раза меньше чем для углей (150-200 м). Это хорошо согласуется с низкой фильтрационной способностью пород Донбасса.

Для определения степени катагенеза пород не связанной со степенью уг-лефикации органики, выполнен ряд исследований. Идея разработки заключается в том, что значения физико-механических и петрографических показателей изменяются по-разному. Одни показатели увеличиваются с палеоглубиной (значения предела прочности на сжатие, растяжение, нарушенность, объемный вес), другие показатели уменьшаются по абсолютным значениям (пористость, влажность). Парная корреляционная связь между значениями показателей, один из которых увеличивается, другой уменьшается, носит степенной характер.

В процессе исследований установлено, что наиболее информативные данные получаются при сопоставлении показателей нарушенности (Кн, %) и открытой пористости. Были определены значения парной корреляции между этими параметрами по отдельным стратиграфическим горизонтам. Полученные значения изменяются с палеоглубиной от отрицательных к положительным и от положительных, опять к отрицательным. При этом, фиксируются две зоны инверсии - переход значений от отрицательных к положительным и от положительных опять к отрицательным. Указанные зоны инверсии являются функцией напряженного состояния пород или давлений как тектонических, так и региональных, геостатических. По этой причине они не совпадают с углемарочной шкалой. Эти зоны имеют свою палеоглубину для каждого района, шахтного поля и даже участка шахтного поля, что отражает различные локальные влияния на применяемые параметры: пористость и микронарушенность.

Указанные зоны инверсии выделяют в своей средней части (зона положительных значений корреляции) выбросоопасный интервал или стратиграфический интервал пород, в котором возможны газодинамические явления. Выполненные исследования показали, что все выбросы пород Донбасса для изученных районов, расположены в пределах выделенного интервала. Таким образом, были получены верхняя и нижняя границы выбросоопасного интервала для осадоч-

ных пород в условиях Донбасса, имеющих физическую основу и количественные критерии. На данную разработку получен патент Украины № 5280.

Данный метод позволяет количественно определять степень катагенети-ческих преобразований и позволяет устанавливать границы стадий этих преобразований. Выявленное совпадение средней стадии катагенеза и интервала вы-бросоопасности пород, не может быть случайным, поскольку каждая стадия катагенеза отражает не только степень преобразований, но и имеет комплекс факторов и свойств, характерных для данной стадии. Выбросоопасность пород следует рассматривать как одно из свойств пород средней стадии катагенеза, по крайней мере для Донбасса.

Результаты дальнейших исследований показали закономерное уменьшение значений коэффициента вариации и дисперсии диаметров породообразующих зерен песчаников с палеоглубиной. Отсюда можно сделать вывод, что в результате накопления энергетического потенциала в песчаниках их породообразующие зерна реагируют на это не просто уменьшением диаметров, а именно выравниванием структурных параметров и уменьшением диапазона размеров обломочных зерен. Этот процесс заканчивается формированием кварцитовид-ной структуры с минимальными для данных условий значениями коэффициента вариации и дисперсии размеров зерен пород.

Для сравнения структурных изменений в более значительном интервале эпигенеза горных пород, были исследованы пробы пород из Кривого Рога. В магнетитовых кварцитах из рудников Криворожья были установлены участки с вторичными (вновь образованными) кварцевыми зернами диаметром до 0,5 - 0,7 мм, в которых отмечены такие микродеформации как бемовская штриховка, иррациональное двойникование, пластины и пояса деформации.

Приведенный материал позволяет наглядно проследить существующую в природе цикличность в преобразовании микроструктуры вещества с палеоглубиной. Исходя из фактических данных, можно заключить, что катагенез являет собой полный замкнутый цикл преобразования осадочной породы в метаморфическую. Консолидация и обезвоживание на начальной стадии данного процесса приводит к формированию значительного объема пластических микродеформаций, переводящих структуру вещества в метастабильное состояние (средний катагенез). Дальнейшее ужесточение термодинамических параметров приводит в конечном счете к образованию новой структуры и новой породы (метаморфической). На этом заканчивается первый (условно) этап преобразования структуры и начинается новый.

Раздел 6. Исследования и разработка метода комплексного прогноза выбросо-опасности горных пород.

Метод комплексного прогноза выбросоопасности пород базируется на двух основных критериях оценки и прогноза выбросоопасности горных пород.

Это комплексный геологический критерий степени выбросоопасности пород "В" и горнотехнический критерий выбросоопасности по данным текущего прогноза. Ранее эти методы применялись отдельно, что снижало надежность и достоверность прогнозной оценки.

Целью метода комплексного прогноза выбросоопасности горных пород является оценка степени выбросоопасности песчаника по проектной трассе горной выработки.

Задачи метода: определить пространственное положение слоев песчаника по трассе планируемой горной выработки; оценить выбросоопасность слоев песчаника по пробам из забоев горных выработок; определить места ведения текущего прогноза выбросоопасности пород и места бурения дополнительных скважин, направленных нормально оси выработки при появлении выпукло-вогнутых дисков в керне основной скважины. Для решения указанных задач необходимо выполнить комплекс геологических и горнотехнических работ.

За основу геологической части прогноза принят локальный прогноз, базирующийся на семи показателях: содержание кварца обломочного; содержание слюдисто-глинистых минералов; горизонтальный интервал упаковки; содержание кварца регенерационного; средневзвешенный размер зерен; глубина залегания песчаника и коэффициент газонасыщенности.

В результате исследований показатель "кварц регенерационный" был заменен на показатель "относительной нарушенности кварцевых зерен". Причина следующая: количество кварца регенерационного в песчаниках Донбасса колеблется от 0,0 до 5 %, за редким исключением, а достичь необходимой для прогноза точности при применяемых увеличениях не возможно; регенерационные каемки без бокового освещения легко спутать с полосками Бема; регенерационный кварц связан функциональной зависимостью со средним диаметром породообразующих зерен. Последний факт не раз проверялся и в работе показана типичная зависимость содержания кварца регенерационного от среднего диаметра обломочных зерен на основе 39 проб песчаника с четырех районов: Красноармейского, Донецко-Макеевского, Центрального и Краснодонского. Полученное уравнение линейной зависимости имеет вид:

У = 21,5Х-3,0 (2)

Значение показателя "относительной нарушенности" (К н, %) меняется от 0,0 до 100 %. Физический смысл его заключается в фиксировании значительных тектонических напряжений обломочными зернами. Изучение двух групп проб по степени выбросоопасности с объемом выборки п = 62, позволило установить, что они существенно отличаются по I - критерию (Стьюдента): I расч. > I табл. = 47,6 > 2,04. Для возможности применения его с другими показателями выполнено ранжирование по степени выбросоопасности. Таким образом, рангам

выбросоопасности 0; 02; 04; 06; 08; 1,0 отвечают следующие интервалы значений относительной нарушенное™ - менее 30 %; 30-40 %; 40-50 %; 50-60 %; 60-70 %; и более 70 %.

Показатели — "средний размер зерен породообразующих минералов" и "горизонтальный интервал упаковки" - в локальном прогнозе выбросоопасности определяются как средневесовые величины. Сравнительная оценка средневе-совых и среднеарифметических значений этих показателей выполнялась в 43 образцах песчаников разных литологических типов и структурно-текстурных параметров. Она показала, что между средневесовыми и среднеарифметическими значениями показателей нет существенных различий. Для показателя "средний размер зерен породообразующих минералов" значения I - критерия 0,05 ^ табл. - 2,02), Р- критерия Фишера - 1,01 (И табл. - 1,67). Для показателя "горизонтальный интервал упаковки" значения 1 - критерия 0,13 (1 табл. - 2,02), Р -критерия Фишера - 1,04 (Р табл. -1,67).

Исходя из полученных результатов, предлагается при оценке комплексного критерия выбросоопасности "В" пользоваться среднеарифметическими значениями этих показателей, определяемых в шлифах с кавдой пробы.

При использовании показателя "слюдисто-глинисгые минералы" раньше не учитывались карбонаты (первичные и вторичные), угольный материал, детрит, обломки аргиллита, пелитовый материал. Все перечисленные породы и минералы входят в состав цемента песчаника. Для исследования возможности использования показателя "цемент" - было отобрано 27 проб песчаников с мест выбросов и с выбросонеопасных пород. Анализ полученных результатов показал, что показатель "слюдисто-глинисгые минералы" имеет несущественное различие в выбросоопасных и выбросонеопасных песчаников (1 расч. < I табл. = 1,7 < 2,05). Новый показатель - "цемент" имеет существенное различие (1 расч. > I табл. = 18,8 > 2,05). Полученные результаты позволяют пользоваться показателем "цемент" в комплексе с другими показателями для определения степени выбросоопасности песчаников. Для внедрения нового показателя выполнено его ранжирование. Таким образом, рангам выбросоопасности 0; 02; 04; 06; 08; 1,0 отвечают следующие интервалы значений показателя "цемент"— более 40 %; 4034 %; 34-28 %; 28-22 %; 22-17 %; и менее 17 %.

Показатели "упаковки зерен", "коэффициент газонасыщенности" и "глубина" - остались без изменений.

Для определения значимости каждого показателя в комплексе выполнен дисперсионный анализ. Расчеты показали, что показатель "глубина" - имеет достаточно малую значимость в комплексе (менее 1 %). Исходя из этого, а также учитывая, что глубина опосредовано входит в прогноз (согласно "Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, пород и газа", прогноз выбросоопасности песчаников выполняется с глубины более 600 м), этот показатель был исключен из комплекса, как малоэффективный.

Выполненные исследования позволил отобрать шесть наиболее информативных и надежных показателей, которые сведены в табл. 6,1.

Таблица 6.1

Оценка показателей выбросоопасности пород

Показатель Ранг выбросоопасности песчаников

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Содержание кварца обломочного,% (ВО <30 30-40 35 40-50 45 50-60 55 60-70 65 >70,0

Коэффициент относительной нару-шенности, % (В2) <30 30-40 35 40-50 45 50-60 55 60-70 65 >70,0

Содержание цемента, % (В3) >40 34-40 37 28-34 31 22-28 25 17-22 19,5 <17,5

Средний размер зерен, мм (В4) <0,12 <ш-<из 0,125 0,13-0,16 0,145 0.16 - одо 0,180 $20-$28 $24 >0,28

Показатель упаковки зерен, мм (В5) >0,126 $126-$114 $114-$102 $102 - 0,090 $090-$078 <0,078

$120 $108 $096 $084

Коэф. относит-ной газонасыщенности песчаника, % (Вб) <0,6 0,6-ОД $7 $8-1,0 $9 ю-и и и > 1,4

Комплексный критерий выбросоопасности "В" по геологическим данным рассчитывают по формуле, составленной в результате выполнения дисперсионного анализа и оценки значимости каждого показателя выбросоопасности:

"В" = 0,06В 1 + 0,31В2 + 0.07ВЗ + 0.24В4 + 0,1ЗВ5 + 0,19В6 (3)

Выполненный анализ статистических параметров указывает на то, что значения разработанного критерия выбросоопасности не противоречат нормальному закону распределения. Степень существенности разделения двух групп выборки - выбросоопасных и выбросонеопасных проверялась методом сопоставления эмпирических и табличных значений I - критерия Стьюдента и Е - критерия Фишера. В результате выполненных рассчетов для нового комплексного критерия: I расч. > I табл. = 6,43 > 2,04; Б расч. > Б табл. = 2,33 > 1,52. Это указывает на существенность разделения двух выборок. Расчет I - критерия этих же выборок существующим (локальным) методом показал меньшую степень существенности различия: I расч. > I табл. = 5,37 > 2,04; Б расч. > Р табл. = 1,10 <1,52.

Рассчитаиая надежность определения выбросоопасности новым комплексным методом составляет 95 % при вероятности, прийнятой в геологии, Р = 95 %. Для разделения пробисследованной выборки на опасные и безопасные, воспользуемся принятым в статистике положением о том, что при принятой в геологии вероятности Р = 95 %, достоверными будут значения, которые укладываются в границы 2сг. Среднеквадратичное отклонение для выборки выбро-соопасных пород составляет 0,09, тогда среднее значение: Хер. ± 2а = 0,7 ± 0,18 = 0,52 0,88. Таким образом, установлена граница, выше которой породы характеризуют выбросоопасную ситуацию с надежностью 95 %, при вероятности Р = 95 %. Зона ненадежности отражается границами: 0,03 > 0,50 < 0,03. Поскольку значения более 0,5 - выбросоопасны, нас интересуют значения в пределах 0,47 -ь 0,50. Исходя из этого, значения комплексного критерия выбросоопасности менее 0,47 - характеризуют безопасную ситуацию, выше 0,5 - опасную, а значения от 0,47 до 0,50 нужно уточнять, путем увеличения количества проб.

В качестве горнотехнического показателя ранее применялся текущий прогноз, основанный на характере деления керна опережающих скважин на выпукло-вогнутые диски. На основе выполненных исследований степени изотропии и анизотропии напряженного состояния пород установлено, что выбросоопас-ность характеризуется изотропным распределением напряжений в Массиве для определения которого необходима дополнительная скважина, которую бурят нормально оси выработки в месте максимального образования дисков в керне основной опережающей скважины. Дополнительную скважину бурят только при появлении дисков в основной, а степень выбросоопасности определяют по количеству выпукло-вогнутых дисков в двух скважинах - основной и дополнительной (патент Украины № 4835).

Раздел 7. Комплексный прогноз выбросоопасности горных пород.

Все этапы разработки нового метода выполнялись в соответствии с требованиями, изложенными в "Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, пород и газа" (1989).

В свете этих требований разрабатываемый метод направлен на решение двуединой задачи: максимальное повышение надежности и достоверности прогноза с минимальными затратами на его выполнение. С этих позиций, метод комплексного прогноза направлен на определение степени выбросоопасности пород по проектной трассе горной выработки; на существенное сокращение объемов опережающего бурения в горных выработках; на сокращение мероприятий по выполнению работ в режиме сотрясательного взрывания. Для решения этих задач нужно выполнить следующие геологические и горнотехнические работы

Собрать геолого-геофизическую информацию по конкретному песчанику (или песчаникам) данной шахты. Это включает в себя планы горных работ, геологические разрезы, каротажные диаграммы, сведения о выбросах и диско-

образовании на данной шахте и ближайших к ней, описание забоев горных выработок, отбор проб с каждого выделенного в забое прослоя песчаника, отличающегося по структурно-текстурным параметрам.

На следующем этапе выполняется анализ собранного материала, строятся геологические разрезы по проектной трассе каждой горной выработки, заложенной в песчаниках, выполняется пространственное выделение выбросоопас-ных прослоев песчаников, рассчитывается показатель комплексного критерия выбросоопасности "В" для всех опробованных прослоев, на основе полученных значений петрографических и коллекторских показателей выбросоопасности.

Параллельно с геологическими работами бурят основные опережающие скважины при вскрытии каждого нового прослоя песчаника или этого же прослоя, но на другом горизонте, по результатам определения пространственного положения геологических прослоев, но не реже, чем через 350 м. Дополнительную скважину бурят только в том случае, если керн основной скважины делится на выпукло-вогнутые диски или имеет кольцевые трещины.

Оценка показателей выбросоопасности выполняется в соответствии с рангами выбросоопасности согласно табл. 6.1. При величине комплексного критерия выбросоопасности "В" s 0,47 породы относятся к выбросонеопасным. При величине критерия "В" от 0,47 до 0,49 необходимо дополнительное опробование. При величине критерия "В" > 0,50 песчаники являются выбросоопасными.

Результаты прогноза по геологическим данным ("В"), сопоставляются с данными образования дисков в керне опережающих скважин и фактической вы-бросоопасностью. Метод комплексного прогноза выбросоопасности исследуемых пород выполняют на основании анализа всех рассмотренных показателей. Прогноз оформляют в виде "Заключения о выбросоопасности..." и передают заказчику на шахту или объединение. Прогноз выбросоопасности выполняется ИГТМ HAH Украины и согласовывается с головным институтом в данной отрасли на Украине - МакНИИ.

Результаты определения выбросоопасности песчаника LjSIi на шахте им. А.П Стаханова методами локального и комплексного прогноза при горно-экспериментальных работах свидетельствует о том, что в местах опробования верхнего прослоя песчаник выбросоопасный, а в местах опробования нижнего прослоя песчаник по локальному методу имеет низкую степень выбросоопасности, а по комплексному - невыбросоопасный. Наличие выбросов в верхнем прослое и отсутствие их в нижнем, при отсутствии дисков в керне дополнительных скважин в нижнем прослое, свидетельствует о более высокой достоверности и надежности комплексного метода прогноза.

Результаты определения выбросоопасности песчаника diSd»1 на шахте "Красноармейская-Западная-1" методами локального и комплексного прогноза при горно-экспериментальных работах свидетельствует о том, что в местах опробования среднего и нижнего прослоя песчаник невыбросоопасный, несмотря

на наличие дисков в керне опережающих скважин. Диски в керне дополнительных скважин отсутствуют. Выбросов песчаника на шахте не зафиксировано. Необходимо отметить, что по данным локального прогноза значения выбросо-опасности среднего и нижнего прослоев этого песчаника различаются меньше ("В" ср. = 0,33 и 0,30), чем по данным комплексного прогноза ("В" ср. = 0,25 и 0,18), что характеризует более высокую дифференциацию значений комплексного прогноза в сравнении с локальным.

Результаты бурения дополнительных скважин, направленных перпендикулярно к основным, в зонах развития дискообразования, подтвердили их экс-прессность, эффективность и надежность при выполнении прогнозных работ.

Таким образом, работы по разработке метода комплексного прогноза показали надежность и эффективность его применения на шахтах. Разрабатываемый метод позволит значительно повысить темпы проходки подготовительных выработок, за счет сокращения объемов опережающего бурения и снятия режима сотрясательного взрывания, в местах, где это возможно.

ВЫВОДЫ

В основу диссертационной работы положены качественные и количественные закономерности структурных преобразований углевмещающих песчаников Донбасса, их связь с катагенезом и выбросоопасностью пород. В работе представлено теоретическое обоснование значения структурных преобразований песчаников, позволившее выполнить ряд новых научно обоснованных разработок в геологии которые обеспечивают решение важной прикладной проблемы комплексного прогноза выбросоопасности пород на шахтах.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации заключаются в следующем.

1. Установлено свойство песчаников, обломочного кварца, янтаря, кремня, угля, стекла, горного хрусталя, эпоксидной смолы, известковых пород, джеспилитов, глинистых сланцев, при определенных термодинамических условиях принимать правильные геометрические формы, как следствие изотропии энергетического состояния данного вещества или образовывать субпараллельные плоскости скольжения, как следствие анизотропии энергетического состояния вещества.

Указанное свойство может быть первичным то есть, проявляться в период формирования данного вещества (клатраты газогидратов, конкременты кри-сталлоподобной формы, элементарная ячейка в песках и других породах) и вторичным, то есть, проявляться в период вторичного преобразования или энергетической эволюции вещества (чешуя с мест выбросов песчаников, шелушка со скважин Криворожья, полигоны морозных трещин, отдельность при синерезисе и эпигенезе, включения в минералах). Иерархичность проявления этого свойства не зависит от физико-механических свойств вещества и характеризуется со-

поставимостыо размеров квазикристаллов разных веществ для определенного уровня. Так, средние размеры квазикристаллов угля, кварца, янтаря, кремня, стекла и других веществ на микронном уровне имеют сопоставимые размеры: 26 мк (для первого уровня), 7-13 мк (для второго размерного уровня).

2. Разработан показатель микронарушенносги пород: коэффициент относительной нарушенности - К н., выражающийся в процентах.

При катагенетических преобразованиях основные нагрузки испытывают породообразующие каркасные минералы, для песчаников Донбасса это зерна кварца. Образующиеся при этом пластические микронарушения: полоски Бема, пластины и пояса деформации, иррациональное двойникование, смятый кварц, таблитчатый кварц, трансляционные полосы скольжения - надежно определяются с помощью метода бокового освещения. Относительное количество этих микронарушений фиксируется указанным показателем, который отражает степень тектонических и геостатических напряжений, и степень выбросоопасности горных пород. Данный показатель базируется на том, что с увеличением напряжений в породообразующих зернах будет увеличиваться и количество структурных деформаций.

3. Определены структурные и минералогические особенности углевме-щающих песчаников Донбасса.

Полученные результаты позволяют заключить, что в центральных районах Донбасса процессы растворения и переотложения вещества проявились значительно слабее в сравнении с прибортовыми районами; практически отсутствуют межзерновые сутурные и стилолитовые контакты при наличии значительного количества внутризерновых; пластические микродеформации установлены как в породообразующих минералах (кварц, плагиоклаз, полевой шпат) так и в минералах цемента (вторичный карбонат, слюды); определено общее увеличение карбонатности, гидрослюд магниевого состава на северо-восток и кремнезема, кремнистых новообразований на юго-запад Донбасса; наиболее характерные обломки пород юго-западной части представлены яшмоидами и слюдистыми кварцитами, тогда как для северо-восточной части характерными являются эффузивы и диабазы среднего и основного составов.

4. Катагенетические преобразования пород Донбасса имеют отличительные особенности по сравнению с другими осадочными бассейнами.

Основной причиной этого различия является инверсия и вызванные ею тектонические напряжения в породах Донбасса, которые на раннем этапе эволюции осадочных отложений уплотнили породы до такой степени, что фильтрационная способность их стала минимальна, а процессы растворения и переотложения не реализовались в полной мере. Именно по этой причине для пород Донбасса характерно широкое развитие пластических микродеформаций всех ранее описанных видов, а большое содержание газов в порах послужило причиной миграции их в микродефекты, декорирования и образования полосок Бема, как наиболее распространенного вида из описанных микродеформаций, послу-

жило причиной развития значительных объемов закрытой пористости в центральных районах Донбасса.

5. Выделены и описаны внутри- и межзерновые сутурные и стилолитовые контакты, как следствие структурных преобразований пород.

Установлена основная последовательность образования указанных структур: сетчатая зона пластических микродеформаций —> генеральный шов -> су-турный контакт -> повышение давления и, как следствие, развитие процессов растворения и переотложения в зоне сутурного контакта -» стилолитовый контакт.

6. Разработана методика определения размеров влияния геологоразведочных скважин на выбросоопасность для пород и углей.

На основе полученных данных об образовании губчатой структуры в углях и породах, разработана методика определения размеров влияния геологоразведочных скважин на выбросоопасность пород и углей. Установлено, что диффузионно-фильтрационные процессы в породах слабее чем в углях, а размер зоны влияния в породах (50-100 м) в 2-3 раза меньше чем в углях (150-200 м). Кроме этого, отсутствие влияния тектонических нарушений на указанный процесс в породах определяет изотропию указанной зоны, а наличие влияния тектоники на дегазацию в углях определяет анизотропию зоны влияния скважин на выбросоопасность.

7. Разработан способ определен™ верхней и нижней границ выбросоопас-ности горных пород.

Способ заключается в получении количественных значений корреляционной зависимости двух показателей - уменьшающейся с палеоглубиной пористости и увеличивающейся с палеоглубиной микронарушенности. Зависимость имеет вид полуволны, а значения меняются от -1 до +1 и опять до -1, определяя две зоны инверсии (переход знака на обратный), которые указывают границы выбросоопасности. Эмпирически установлена данная связь с отрицательным знаком в верхней части стратиграфического разреза (примерно до песчаников вмещающих угли марки "Г"), ниже по разрезу указанная связь имеет положительные значения (примерно до песчаников, вмещающих угли марок "ОС-Т", ниже по разрезу связь опять имеет отрицательные значения. Таким образом, установленными зонами инверсии (переход знака связи на противоположный) выделяется интервал с положительными значениями связи пористости с пластическими микродеформациями, характеризующий потенциальную выбросоопасность песчаников.

8. Установлено формирование губчатой структуры в обломочном кварце углевмещающих песчаников Донбасса на поздней стадии катагенеза.

Механизм данного процесса заключается в следующем. На ранней и средней стадиях катагенеза (ориентировочно в песчаниках, вмещающих угли марок Б-Ж), в кварцевых зернах образуются пластические микродеформации, куда вероятнее всего диффузионным путем проникает флюид, заключенный в поровом

пространстве песчаников под большим давлением. В процессе дальнейших ка-тагенетических преобразований происходит залечивание микродеформаций, но флюид, проникший в плоскости пластических микродеформаций остается, расшнуровываясь на отдельные газожидкие включения, размером от единиц до десятков и сотен микрон (для зерен песчаников Донбасса). Дальнейшие увеличения температуры и давления приводят к дифференциации этих включений до размеров в десятые и тысячные микрона, что прослежено с помощью электронного микроскопа.

9. Установлено общее уменьшение средних размеров обломочных зерен углевмещающих песчаников Донбасса, а также уменьшение значений коэффициентов вариации и степени дисперсии со степенью катагенеза.

Увеличение степени катагенеза происходит параллельно с увеличением давлений и температур, что отражается на структуре песчаников. Происходит не просто дробление крупных зерен, а именно выравнивание структуры, что отражается на уменьшении коэффициентов вариации и дисперсии структуры со степенью катагенеза. Происходит плавный переход песчаника в кварщгго-песча-ник с более мелкой, устойчивой и энергетически выгодной структурой.

10. Усовершенствован метод текущего прогноза выбросоопасности горных пород по характеру деления керна на выпукло-вогнутые диски в опережающих скважинах, путем бурения дополнительной скважины.

Анализ литературных, эмпирических и натурных данных, позволил установить, что выброс породы происходит в том месте песчаника или его слоя, где напряжения распределены изотропно, а для установления изотропии нужно не менее двух скважин, заложенных в одном и том же слое пород и направленных перпендикулярно одна относительно другой. Дополнительная скважина бурится только при образовании дисков в основной скважине в месте появления наибольшего их количества.

11. На базе усовершенствованного текущего и локального, разработан комплексный прогноз выбросоопасности горных пород.

Предложен новый показатель - коэффициент относительной нарушенно-сти пород, вместо показателя - кварц регенерационный, что позволяет учитывать фактор тектонического воздействия на породы и более надежно разделять опасные и неопасные по выбросам песчаники.

Предложен новый показатель - цемент песчаника, вместо показателя -глинисто-слюдистые минералы, что позволяет учитывать ранее не учтенные составляющие цементирующего вещества и более надежно и достоверно разделять породы на выбросоопасные и выбросонеопасные.

Усовершенствованы показатели определения среднего диаметра породообразующих зерен песчаников и упаковки зерен, рассчитывавшиеся ранее средневзвешенным методом, что требовало более значительных затрат рабочего времени.

Выполнен дисперсионный анализ всех показателей выбросоопасности, позволивший определить степень влияния каждого параметра на комплексный

критерий выбросоопасиости и усовершенствовать формулу расчета значений комплексного критерия выбросоопасиости горных пород.

Новый метод объединяет геологические критерии с горнотсхнологиче-скими, что позволяет: повысить надежность и достоверность прогноза; определять пространственное положение и места выклинивания выбросоопасных слоев, места их вскрытия и заложения опережающих скважин; применять надежный комплекс показателей выбросоопасиости и существенно сократить объемы опережающего бурения; получить экономический эффект от снятия режима сотрясательного взрывания в неопасных по выбросам породах.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ СОИСКАТЕЛЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.Руководство по применению метода локального прогноза выбросоопасиости 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 // Геолопя \ геох1\пя 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.

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

7.3аб1гайло В.Ю., Баранов В.А. Пластичю деформацп кварцу гасковшов Донбасу // Геол. i геох. горюч, копалин. - 1995. - №¡1-2 (90-91). - С.33-45.

8.Лукшов В.В., Пшоненко Л.1., Баранов В.А. Сшввщношення тектошчноГ порушенност! вуплля I порщ на мцсро-1 макрор^вш. // Геолога I геохьшя горючих копалин. - 1996. -№1-2 (94-95). - С. 31-37.

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

Ю.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.

П.Баранов В.А. Структурные и минералогические особенности углевме-щающих пород Донбасса // Придшпровський наук, bi'chhk. Геол. i географ1'я. -Днепропетровск: ДДУ, 1998. -№118 (185). - С. 39-48.

12.Баранов В.А. Причины и условия образования сутурных и стилолито-вых контактов в минералах и горных породах // Придшпр. наук. в1сн. Геол. i географ1я. - 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.БарановВ.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.Ю. - 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 // Вкник 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 // Bicmnc 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 // Bi'chhk НГАУ.-2000.-№ 4.-С. 3-4.

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

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

29.Пат. 5280 Украша, МКИ Е 21F5/00. Способ визначення меж викидоне-безпечност! пор1д /В.А. Баранов, В.В. Лукшов (Украша). - 5 с. ил.; Опубл. 28.12.94, Бюл. №7-1.

30.Пат. 5279 Украши, МКИ Е 21 F5/00. Cnociö прогнозу викидонебезпеч-hoctí прсысих по рад / В.Ю. Забкайло, В.В. Лукшов, I.M. Подрезенко, В.А. Баранов (УкраТна); ИГТМ НАНУ - № 4942180/03; Заявл. 05.06.91; Опубл. 12.10.95; Бюл. №11. - 8 с.

31.Пат. 4835 Украша, МКИ Е 21 F 5/00. Cnociö визначення викидонебез-ne4HOCTi прсысих порщ / В.В. Лукшов, В.А. Баранов, I.M. Подрезенко, Л.А. Вайнштейн, B.C. Маевський (Укра"ша).-1с.; Опубл. 28.12.94, Бюл. №7-1.

32.3аявка № 98094842 Украша, МПК 6 Е 21 С 39/00. Стоci6 встановлення ступеню катагенезу nopin / В.А. Баранов (Украша). - Позиг. рш. Держпатенту Украши вщ 19.03.1999.

33.Баранов В.А. Закономерности образования выпукло-вогнутых дисков в керне опережающих скважин И Тр. VI11 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.

Личный вклад автора в работах, которые написаны в соавторстве: 1 - исследования петрографических показателей выбросоопасности, анализ результатов; 2, 5, 7, 17, 18, 32 - идея, выполнение комплексных исследований, анализ результатов; 4, 6, 8 - выполнение комплексных исследований микрона-рушенности песчаников на микроуровне, выводы; 26, 27, 28, 29 - идея, комплексные исследования, анализ и выводы.

АН0ТАЦ11:

Баранов В.А. Структурш перетворення шсковик1в Донбасу та ix зв'язок з катагенезом i викидонебезпечшстю. - Рукопис.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня доктора геолопчпих наук по спещалыгост) 04.00.16 - "Геолопя твердих горючих копалин". 1нстатут геоте.хтчно! мехашки HAH Украши. Дншропетровськ, 2000.

Дисертащя присвячена встановленню природи структурних перетворень пуглевм)щуючих госковик1в Донбасу i прогнозу ix викидонебезпечность Дослщ-ження показали, що в зернах кварцу та вмшуючому тсковику, тд впливом термобаричних умов формуються системи шющин ковзання та кристалопод1бш тша, як1 мають сш'вставлеш розм1ри в рамках кожного iepapximioro р1вня. Виявлет cyrypHi i стилолгпш м1кродеформацн та губчата структура в зернах кварцу тсковиюв Донбасу, розроблено hobi та вдосконалено юнуючи показники в1кидонебезпечносп порщ. Розроблений метод встановлення границь викидоне-безпечност! порщ та ступени) катагенезу. Виршена важлива прикладна проблема комплексного прогнозу викидонебезпечносп тсковиюв Донбасу на ochobi геолопчних та прничотехшчних даних.

Ключов! слова: структурni перетворення, пластичш м1кродеформацй, п1сковики Донбасу, катагенез, викидонебезпечшсть, прогноз.

АННОТАЦИЯ

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

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

Диссертация посвящена установлению природы структурных преобразований углевмещающих песчаников Донбасса и прогнозу их выбросоопасности. Исследования показали, что в зернах кварца и вмещающем песчанике, угле, стекле, горном хрустале, глиниста сланцах, кремне, епоксидной 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, предложен механизм 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 кремнистых 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 нарушенное™ 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 повые ("коэффициент относительной нарушенности", '^цемент") и усовершенствован расчет действующих показателей ("среднего размера зерен", "упаковки зерен") выбросоопасности горньсх пород. Впервые выполнен дисперсионньгй анализ геологических показателей выбросоопасности пород, на основании которого выбрано шесть наиболее информативных показателей выбросоопасности. Разработана новая формула расчета комплексного критерия выбросоопасности горных пород. Решена важная прикладная проблема комплексного прогноза выбросоопасности песчаников Донбасса на основе геологических т 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 geo-technicai mechanics NAS of Ukraine. Dnepropetrovsk, 2000.

The thesis has been devoted to determination of the nature of structuraltrans-formations 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.

Баранов Владимир Андреевич

Структурные преобразования песчаников Донбасса и прогноз их выбросоопасности

(Автореферат)

Подписано к печати 19.10.2000 р. Формат 30x42/4. Бумага Polspeed. Ризография. Условн.-печ. л. —2,0. Уч.-изд. л. — 2,0. Тираж 12.0 экз. Зам. № 405. Бесплатно.

РИК НГА Украины 320600, ГСП, м. Днепропетровск, 27, пр. К.Маркса, 19