Закономерности изменения качества углей Юго-Западного Донбасса

Крылов, Сергей Александрович

Автореферат диссертации по теме "Закономерности изменения качества углей Юго-Западного Донбасса"

КРЫЛОВ Сергей Александрович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ КАЧЕСТВА УГЛЕЙ ЮГО-ЗАПАДНОГО

ДОНБАССА (ОПЫТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ)

Специальность 04.00.16 -Геология, поиски и разведка

месторождений твердых горючих ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Санкт-Петер бург 2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете)

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук, профессор

В.В.Кирюков

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук

И. Б. Волкова

кандидат геолого-минералогических наук

А. В. Павлов

Ведущее предприятие: Государственный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ

Защита диссертации состоится 29 июня 2000 г. в 14 ч на заседании диссертационного совета Д 071.07.03 при Всероссийском научно-исследовательском геологическом институте им.А.П.Карпинского (ВСЕГЕИ) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, Средний проспект, д. 74.

С диссертацией можно ознакомиться во Всероссийской геологической библиотеке.

Автореферат разослан 29 мая 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ^^

кандидат г.-м. наук А.П.ХАРЛАШИН

<£>.9(^гз^ Уь. а, о

<0 уяз, з ~ ¿г о

ВВЕДЕНИЕ

Состояние вопроса и актуальность проблемы. Прогнозная оценка качества и марочного состава углей является одной из ключевых задач, решаемых на каждой стадии изучения месторождения. Она основана на закономерностях изменения прогнозируемых показателей под действием главным образом геологических факторов. Соответственно изучение закономерностей изменения свойств углей имеет важное значение и является актуальным вопросом современной угольной геологии, обеспечивая промышленность теоретической и методической базой рационального освоения угольных месторождений.

При разведке шахтных полей Донбасса с клареновыми (гелитолитовыми) каменными углями помимо региональной составляющей выявляется значительная доля локальной изменчивости показателей качества и марочного состава, которая затрудняет выделение и картирование марок, технологических групп и подгрупп углей, не позволяет использовать физические, химические и технологические параметры при прогнозировании свойств углей.

Выявление закономерностей локальной изменчивости свойств углей позволит повысить полноту и достоверность их прогноза без увеличения объемов геологоразведочных работ и обеспечит более эффективную интерпретацию геологических материалов, что несомненно является актуальным.

Цель и задачи исследований. Цель работы заключается в установлении причин и выявлении закономерностей изменения свойств углей, разработке теоретических и методических основ прогноза качества и марочного состава углей в пределах разведочных участков и шахтных полей.

Конкретно сформулированные задачи исследований заключаются в следующем:

- определить геологические условия углеобразования и газогенерации (типы систем) на примере развития одного из районов крупного угольного бассейна;

- определить роль первичных и вторичных фаций в системах углеобразования различных стадий углеобразования;

- типизировать системы углеобразования по наиболее значимым геологическим факторам;

- определить закономерности распределения типов систем в разрезе и на площади угленосной формации;

- обосновать способ количественного выражения степени восстановленности углей;

- установить для каждого типа систем свойственные ему закономерности изменчивости показателей марочного состава и качества углей.

Методика и фактическая база исследований.

Классификация углей по марочному составу и качеству проводится с учетом сложного множества факторов, действующих на различных стадиях процесса, поэтому в качестве методической базы был принят системный подход, обобщающий результаты различных частных методов, применявшихся в работе: литолого-фациальный, фациально-циклический и фациально-гранулометрический анализ детальных разрезов; методы получения представительной геологической информации при геологоразведочных работах, опробование; лабораторно-аналитические, химико-технологические и углепетрографические методы исследования вещественного состава углей; различные методы изучения газоносности, газогенерации углей и угольных пластов, пористости и проницаемости угленосных отложений; различные методы изучения малоамплитудной разрывной нарушенности и оценки трещиноватости; методы математического моделирования одномерная, двумерная и многомерная статистика, аппроксимация полиномами эмпирических зависимостей, тренд-анализ, построение карт изолиний.

Представительный фактический материал, обеспечивающий надежность и достоверность научных положений, равномерно характеризует периметр Кальмиус-Торецкой синклинали Донбасса и включает данные технического анализа более чем 1500 пластопересечений разведочными скважинами и горными выработками, детальные (1:200 и 1:500) литологические разрезы более 200 скважин, морфолого-технологический карты 15 шахтопластов типовых промышленно-разведанных участков, данные по коллекторским свойствам и трещиноватости углевмещающих отложений. Центральная часть синклинали

охарактеризована материалами глубокого опорного бурения. Использованы материалы отчетов по научно-исследовательским работам Санкт-Петербургского горного института, выполненные под руководством проф. В.В.Кирюкова, в научном содружестве с ПО"Укруглегеология" и ПГО"Донбассгеология".

Основные научные положения, представленные к защите.

1. В продуктивных свитах среднего карбона Донбасса выделяются четыре типа систем углеобразования, характеризующиеся определенным генетическим типом угля по восстановленности. Резко трансгрессивные закрытые и лагунно-континентальные закрытые системы характеризуются восстановленными и весьма восстановленными углями генетических типов "в" и "вв"; нормально трансгрессивные закрытые и континентальные открытые - маловосстановленными и переходными углями типов "оа", "а", "б".

2. Типы систем углеобразования (стадии седиментогенеза и диагенеза) характеризуются закономерным распределением в разрезе и на площади угленосной формации.

3. Восстановленность клареновых углей умеренной и средней стадий метаморфизма может быть количественно выражена индексом восстановленности, обобщающим показатели массового выхода летучих веществ У^ и толщины пластического слоя у(мм).

4. Типы систем углеобразования одинаковой стадии метаморфизма характеризуются определенными значениями показателей качества углей углей (пластовая зольность А"1, содержание общей серы а также степенью их изменчивости на площади шахтных полей.

Научная новизна работы. В настоящее время системные исследования углей, угольных пластов и угленосных формаций находятся на уровне системного подхода, что связано, главным образом, с отсутствием разработанной методики конкретных приложений системного анализа в угольной геологии и нормативной базы.

- по условиям углеобразования на стадии седименто- и диагенеза выделены четыре типа систем углеобразования: резко трансгрессивная закрытая, нормально трансгрессивная закрытая, лагунно-континентальная закрытая и континентальная открытая;

- установлены закономерности в распределении типов систем в разрезе, в связи с цикличностью второго порядка, и на площади угленосной формации согласно смене регионального палеогеодинамического режима осадконакопления от периферии к осевой части палеопрогиба;

предложены способы количественного выражения восстановленности клареновых углей умеренных и средних стадий на основе технологических показателей выхода летучих веществ и толщины пластического слоя и проведен их сравнительный анализ;

- предложен и обоснован способ расчета величины поровой открытости системы углеобразования стадии катагенеза, учитывающий снижение коллекторской роли отдельного слоя разреза по мере удаления от угольного пласта.

Практическая ценность работы. Установленная взаимосвязь основных показателей клареновых углей с типом системы углеобразования обеспечивает более полный и достоверный прогноз марочного состава, восстановленности и качества клареновых углей при разведке месторождений без дополнительного увеличения объемов геологоразведочных работ. Установленные закономерности распределения типов систем в разрезе и на площади угленосной формации позволяют проводить более обоснованный региональный прогноз марочного состава и качества углей. Установленные взаимосвязи между типом системы углеобразования и литокомплексами по устойчивости и обрушаемости дают возможность прогноза горно-геологических условий эксплуатации угольных пластов. Предложен способ количественного выражения восстановленности клареновых углей через показатель индекса восстановленности, обобщающий технологические характеристики. На основе расчета индекса восстановленности предложен способ автоматизации классиффикационной диаграммы клареновых углей Донбасса ДонУГИ-ПГО"Донбассгеология", используемой при

геологоразведочных работах в Донецком бассейне.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы на отдельных этапах её выполнения докладывались на Ежегодных научных конференциях молодых ученых Санкт-Петербургского горного института "Полезные ископаемые России и их освоение" (Санкт-Петербург,

1997,1998,1999); на XXXV Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс" (Новосибирск, 1997); на X Всероссийском угольном совещании по проблеме "Ресурсный потенциал твердых горючих полезных ископаемых на рубеже XXI века" (Ростов-на-Дону, 1999); на Международном научном конгрессе "Фундаментальные проблемы естествознания" (Санкт-Петербург, 1998).

По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 5 статей.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из пяти глав, введения и заключения. Объем работы составляет 154 страницы, внутритекстовые приложения включают 71 рисунок и 10 таблиц. Список литературы содержит 126 наименований, в том числе 15 фондовых источников.

Благодарности. Работа выполнена в период обучения автора в очной аспирантуре на кафедре Геологии и разведки месторождений полезных ископаемых Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета) под руководством доктора геолого-минералогических наук профессора В.В.Кирюкова, которому автор выражает глубокую признательность за высококвалифицированное руководство, большую научную и методическую помощь. Автор выражает благодарность коллективу кафедры, со стороны которого ощущал внимание и всестороннюю поддержку. Целенаправленный подбор представительного фактического материала и получение исчерпывающих консультаций по исходным данным оказались возможными благодаря научному содружеству Санкт-Петербургского горного института, ПО "Укруглегеология" (проф. О.А.Кущ; геологи А.Д.Бондаренко, Б.П.Земляной, А.А.Козлитин,

A.И.Чупахина и многие другие), ПГО "Донбассгеология" (Н.В.Жикаляк), Донецкого политехнического института (к.г.-м.н.

B.И.Таранец, Е.П.Бахтарова).

Исследования, положенные в основу диссертационной работы, выполнены при поддержке Фонда фундаментальных исследований и Программы "Университеты России" Министерства образования РФ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ И ОБОСНОВАНИЕ ЗАЩИЩАЕМЫХ ПОЛОЖЕНИЙ

В первой главе диссертации "Геологическое строение основных промышленных свит среднего карбона Юго-Западного Донбасса, марочный состав и качество углей" рассмотрены геологические особенности Кальмиус-Торецкой котловины (Юго-Западный Донбасс), как объекта исследований.

Кальмиус-Торецкая котловина - крупная синклинальная структура на площади которой расположены Красноармейский (пологое юго-западное крыло котловины), Донецко-Макеевский (складчатое юго-восточное замыкание) и Центральный (крутое северо-восточное крыло) геолого-промышленные районы. Угленосная толща среднего карбона представлена восемью свитами, из них 5 промышленных. Угленосные свиты имеют циклическое строение и представлены прибрежно-континентальными и прибрежно-морскими отложениямии. Мощность угленосного карбона достигает 4 км, максимальная глубина погружения - более 5 км.

Исследовались основные промышленные свиты среднего карбона - каменская С?3 (К), алмазная С26 (Ь) и горловская С?7 (М), включающие более 30 промышленных угольных пластов и большое число пропластков нерабочей мощности с клареновыми (гелитолитовыми) углями от 1Д до 9 ПА стадий метаморфизма.

Классификация донецких углей основана на закономерностях регионального метаморфизма (правило К.Хильта, правило Е.О.Погребицкого, правило М.Л.Левенштейна) и на учете восстановленности углей, проявляющейся в физических и химико-технологических характеристиках (Я0, С^', Н(1аГ, У!аГ, у(мм), , Б,11) изометаморфных углей и зависящей от условий углеобразования. Обоснование выделенных генетических типов углей по восстановленности (оа — особо маловосстановленные; а -маловосстановленные; б - переходные; в - восстановленные; вв -весьма восстановленные) по физическим и химико-технологическим характеристикам приведено в фундаментальной Геолого-

углехимической карте Донецкого бассейна (1936-1968) и подтверждено углепетрографическими исследованиями

(Л.И.Боголюбова, К.И.Иносова, Л.И.Сарбеева), атласами углей и картами метаморфизма.

Вторая глава "Методика исследований и анализ фактической базы" посвящена методической и фактологической сторонам исследований.

В исследовании используется методика системного подхода к изучению углей, угольных пластов, угленосных литоциклов и угленосной формации в целом. Каждый из объектов рассматривается как единая целостная система, являющаяся составной частью системы более высокого уровня. Рассматриваются основные принципы системного моделирования процессов углеобразования и операции системного анализа при исследованиях угленосных формаций (по В.В.Кирюкову). В главе дается анализ целенаправленно подобранного фактического материала, использованного в работе.

В третьей главе "Системы углеобразования в угленосной формации Юго-Западного Донбасса" дается обоснование первого и второго научных положений.

Первое защищаемое положение. В продуктивных свитах среднего карбона Донбасса выделяются четыре типа систем углеобразования, характеризующиеся определенным генетическим типом угля по восстановленности. Резко трансгрессивные закрытые и лагунно-континенталъные закрытые системы характеризуются восстановленными и весьма восстановленными углями генетических типов "в" и "вв"; нормально трансгрессивные закрытые и континентальные открытые - маловосстановленными и переходными углями типов "оа", "а", "б".

При анализе крупномасштабных (1:200) литолого-фациальных разрезов скважин глубокого опорного бурения Макеевской (Щ-1027) и Очеретинской (К-900), составленных по детальному описанию керна, в наиболее угленосных свитах среднего карбона С?5 (К - каменской), С26 (Ь - алмазной) и С27 (М - горловской) выделяются четыре типа систем углеобразования (рис. 1), представленные характерными последовательностями литолого-фациальных разновидностей пород и характеризующиеся

различными условиями на стадии седиментогенеза и диагенеза (первичными биогеохимическими фациями).

б б б

клм клм к.лм

б

KAM

~гт

г

1

РТЗ нтз лкз ко

1 fe'-^j 2 з Н 4 |-Н 5 jlp^j 6 | КО j 7

Рис. 1. Типы систем углеобразования, выделяемые в основных угленосных свитах среднего карбона Юго-Западного Донбасса (1 - песчаники; 2 - алевролиты; 3 - аргиллиты; 4 - известняки; 5-угольные пласты; 6 - поверхности размывов, выполненных грубозернистыми отложениями; 7 - тип системы)

Тип системы углеобразования характеризуется определенными условиями накопления растительных остатков и захоронения торфяника. "Закрытость-открытость" системы определяется интенсивностью взаимодействия углефицируемого растительного вещества с перекрывающими породами через пластовые воды, вероятностью инвариантного вмешательства в процесс углефикации, например, при размыве, сопровождаемом резкой сменой химизма пластовых вод. Степень "открытости" не является величиной, раз и навсегда определенной для данного типа системы. Системы, возникающие как "закрытые", впоследствии могут раскрываться как на стадии диагенеза (размыв), так и на стадии катагенеза (поровая и трещинная проницаемость вмещающих пород).

Резко трансгрессивные системы (РТЗ) характеризуются непосредственным перекрытием угольного пласта устойчивым горизонтом известняков. К данному типу относятся системы углеобразования пластов к2 , к2в (К3), к2', к21В (К3'), 16'В (Ь7), 1н (М,)

и т/ (М51) по Макеевской скважине; пластов кя (Ь]), т/ (М2), т4 (М41), т4н (М5), тг>с (М?) и т62 (М») по Очеретинской скважине (в скобках указаны перекрывающие известняки). В резко трансгрессивных закрытых (РТЗ) системах выделяются два подтипа, отличающиеся строением системы и имеющие тесную генетическую связь. Для подтипа РТЗ 1 характерно наличие одного угольного пласта, непосредственно залегающего под горизонтом известняка. Переход к подтипу РТЗ 2 сопровождается ращеплением угольного пласта на два пропластка, каждый из которых может достигать существенной мощности (до 0,70 м).

Нормально трансгрессивные закрытые системы (НТЗ) характеризуются трансгрессивной последовательность пород литоцикла со стороны кровли, завершающейся устойчивой морской обстановкой. Систему венчают выдержанные горизонты известняков. Размывы не характерны. К данному типу относятся системы углеобразования пластов к4, к г, с , , //', 1$, т/, тп?, , т4 , т62, ;»/, тя и т9' в разрезе Макеевской скважины; пластов к4 , к6, и т2в в разрезе Очеретинской скважины.

Лагунно-континенталъные закрытые системы (ЛКЗ) характеризуются наличием сближенных пластов угля, заключенных в алевролит-аргиллитовые отложения преимущественно лагунного генезиса. Между пластами отложения представлены континентальными фациями, а подстилающие и перекрывающие сближенные угольные пласты породы образовались в лагунных условиях при более выраженной трансгрессии. Перекрывающие отложения представлены как правило аргиллитами. В таких системах образовались пласты к4 , кБС, кбн и к6в, к/ , кБС, V, ¡б с и и , 1з , и, 1б , и . и', //, и . '"2. т4 . т", /и/, т/ и т63 в разрезе Макеевской скважины; пластов к2, к2 , к* , к3, к3', к" и к/, к71н и к?28, ку , и , 12ш и 12ш , и , тз, т4, т/И, т4, т/, т6', т/ в разрезе Очеретинской скважины.

Континентальные открытые системы (КО) характеризуются наличием сближенных пластов угля, заключенных в аргиллит-алевролит-песчаниковые отложения преимущественно

континентальных фаций. Литоциклы обычно нарушены размывами, выполненными отложениями русла и поймы. К данному типу принадлежат следующие пласты: А:/, /с/ , /с/, к4т, к!;с и к/8, к5, к$ , /у, !з'н, т4°, т{ и т9 в разрезе Макеевской скважины; к/ , к7, к73, //

, 1б с , Ь и и, Ь, 1«. т5, т5в и т9 в разрезе Очеретинской скважины. Характерно сложное (две-три и более пачек) строение пластов.

Обоснованность типизации систем углеобразования подтверждается результатами работ других исследователей, проводивших - для различных целей - типизацию угленосных литокомплексов по особенностям их литолого-фациального состава и строения (О.Г.Корсак и др., Н.П.Очкур, И.А.Макаров, А.Г.Кобилев и М.М.Лось).

Выделяемые по результатам работ перечисленных авторов характерные литокомплексы принципиально сопоставимы с типами систем углеобразования. Одни литокомплексы в выделенном объеме отвечают определенному типу систем углеобразования, другие -входят в системы различных типов как их составная часть и наоборот, некоторые литокомплексы состоят из двух, генетически сопряженных в разрезе, типов систем.

Наблюдается определенная закономерная взаимосвязь типа системы углеобразования и генетического типа углей по восстановленное™. Установлено, что маловосстановленные угли генетических типов оа и а образуются в нормально трансгрессивных закрытых (НТЗ) и континентальных открытых (КО) системах углеобразования, в то время как восстановленные угли генетических типов в а ее образуются в резко трансгрессивных закрытых (РТЗ) и лагунно-континентальных закрытых (ЛКЗ) системах. Проявлена также и обратная зависимость, выраженная в том, что системы НТЗ и КО характеризуются маловосстановленными и переходными углями генетических типов оа, а и б, в то время как системы РТЗ и ЛКЗ характеризуются восстановленными и весьма восстановленными углями генетических типов в и вв. Угли переходного типа б, образуются в НТЗ, ЛКЗ и КО типах систем, но более тяготеют к системам НТЗ и КО. Приведенные закономерности первоначально были установлены на материале скважин глубокого опорного бурения (табл. 1) и впоследствии находили подтверждение при исследованиях другого фактического материала.

Помимо общей закономерности связи определенного генетического типа по восстановленности с соответствующим типом системы углеобразования, наблюдается закономерность изменения качества и восстановленности углей в зонах расщепления пластов, причем в системах различного типа она проявлена по разному.

Таблица 1

Распределение углей различных генетических типов по типам систем углеобразования в основных промышленных свитах среднего карбона (по данным Макеевской и Очеретинской опорных глубоких скважин)

Тип системы углеобразования

РТЗ нтз ЛКЗ КО

Всего выделено систем 11 16 32 21

Из них заключающие промышленные пласты, охарактеризованные данными по восстановленности угля 2 7 10 11

Генетический оа, а 0 5 2 8

тип угля по б 1 2 2

восстановленности в, вв 1 0 6 0

При расщеплении пласта в резко трансгрессивной закрытой системе и переходе системы из подтипа РТЗ 1 в подтип РТЗ 2 верхний отделившийся пласт, залегающий непосредственно под известняком сохраняет высокую восстановленность и характеризуется повышенным содержанием общей серы против нижележащего пласта, который характеризуется

маловосстановленными углями и низкой сернистостью. Это подтверждается данными Н.П.Очкур по пласту в

Красноармейском районе и пласту 1б в Чистяково-Снежнянском. Н.П.Очкур приводятся также данные о том, что данное явление приобретает закономерный характер, когда мощность прослоя, разделяющего пачки расщепленного пласта превышает 1 м.

При расщеплении пласта в лагунно-континентальной закрытой (ЛКЗ) или континентальной открытой (КО) системах данная зависимость проявлена менее четко и имеет обратный характер: вышележащий пласт сложен менее восстановленными и менее сернистыми углями по сравнению с нижележащим пластом.

Для нормально трансгрессивных систем (НТЗ) расщепление пластов нехарактерно.

Указанная закономерность выявлена при изучении морфолого-технологических разрезов рабочих угольных пластов среднего карбона в Красноармейском районе.

Второе защаемое положение. Типы систем углеобразования (стадии седиментогенеза и диагенеза) характеризуются закономерным распределением в разрезе и на площади угленосной формации.

Фациально-циклический анализ детальных (1:200) колонок скважин глубокого бурения с привлечением результатов работ по цикличности среднего карбона Донбасса (А.П.Феофилова) позволятет сделать вывод, что выделенные типы систем характеризуются закономерным чередованием в разрезе, отвечающим цикличности второго порядка (рис. 2).

Максимальной трансгрессии второго порядка соответствует положение в разрезе резко трансгрессивных закрытых систем (РТЗ). Максимальной регрессии второго порядка соответствует положение в разрезе континентальных открытых систем (КО). Типы нормально трансгрессивный закрытый (НТЗ) и лагунно-континентальный закрытый (ЛКЗ) являются переходными. Преход в идеальном, не нарушенном размывами разрезе выполняется по следующей схеме: ... - интервал, сложенный системами КО - интервал систем ЛКЗ -интервал систем НТЗ - интервал систем РТЗ - интервал систем НТЗ -интервал систем ЛКЗ - интервал систем КО - интервал систем ЛКЗ -... и т.д.

Мощность интервалов разреза, сложенных определенным типом систем, зависит от положения разреза в той или иной палеогеодинамической зоне. Анализ детальных литолого-фациальных профилей каменской, алмазной и горловской свит в Юго-Западном Донбассе показывает, что в направлении на северо-восток-восток, к предполагаемой оси Донецкого палеопрогиба, наблюдается увеличение мощности отложений. Разрез становится более полным, за счет снижения роли размывов. В целом возрастает роль бассейновых фаций и уменьшается - континентальных. В соответствии с этим уменьшается мощность интервалов, сложенных континентальными системами, за счет уменьшения доли систем

ЛКЗ, переходящих в направлении на северо-восток в системы НТЗ. Системы НТЗ в свою очередь переходят в системы РТЗ.

В направлении к оси палеопрогиба уменьшается общая угленосность разреза за счет увеличения мощности отложений. Горизонты известняков становятся более выдержанными и мощными, толщи песчаников играют незначительную роль (до 1520 %), имеют более выдержанную морфологию (уменьшается роль размывов), характеризуются прибрежно-морскими условиями образования.

Четвертая глава диссертации "Количественное выражение восстановленности клареновых углей" посвящена сравнительному анализу способов количественного выражения восстановленности клареновых углей умеренных и средних стадий метаморфизма. Одни из них - через индекс восстановленности RDI, показатель, обобщающий характеристики VdafH у(мм) на основе классификационной диаграммы ДонУГИ-ПГО"Донбассгеология"; через Ауед(мм) - разность между фактическим значением толщины пластического слоя у(мм) и рассчетным по уравнению линейной регрессии у(мм) на Vdaf%; через Л у 1г(мм) - разность между фактическим значением толщины пластического слоя у(мм) и рассчетным по уравнению линейного тренда у(мм) = /(х,у) на площади шахтного поля или разведочного участка - предлагаются автором впервые. Другие - через координаты по оси первой главной компоненты изменчивости, рассчитанной по преобразованным данным с учетом действия фактора регионального метаморфизма -рассмотрены ранее в работе В.И.Ткаченко.

В главе обосновывается третье защищаемое положение.

Третье защищаемое положение. Восстановленность клареновых углей умеренной и средней стадий метаморфизма может быть количественно выражена индексом восстановленности, обобщающим показатели массового выхода летучих веществ Vlat и толщины пластического слоя у (мм).

Для изучения закономерностей локальной изменчивости марочного состава в пределах шахтных полей и разведочных участков существует необходимость в количественном выражении генетического типа, которая дала бы возможность отразить даже незначительные (с учетом погрешности) изменения восстановленности клареновых углей.

нтз

ко

лкз

рт31

лкз

нтз нтз

11

С/с

рт31

- лкз

рт32

- лкз

нтз

лкз

.._ ко

___ нтз ^

лкз /

ч

нтз

1 2

3

4

5

ц

к;! б/с

б/с

к/

к,1Н,б/с, к,,2В

Г

кДб/с к*

кгг, к/1 Ь I I. 1И

О 2 ' 2 к2.к2»

25 50 75 100

К,

- нтз

— пкз

— лкз

- нтз

- лкз

= лкз i

= ко I

ко I

лкз

нтз

== ко /

===== рт32

рт32

I,.....г ко |

Рис. 2 Чередование систем различных тшюи в разрезе каменской (С25-К), алмазной (С,6-Ь) и горловской (С27-М) свит по Макссвской опорной глубокой скважине (1Ц-1027) 1 - угольные пласты; 2 - горизонты слитных ичвесшяков;

3 - индексы горизонтов известняков и угольных илисто»;

4 - тин системы; 5 - поверхности размыва

Сравнительный анализ различных способов количественного выражения восстановленности клареновых углей на основе их технологических характеристик и качества позволил для дальнейших исследований выбрать, как наиболее эффективный, способ, основанный на расчете индекса восстановленности RDI. Его предпочтительность определяется следующими соображениями: а) индекс восстановленности RDI прямо основан на используемой в практике работ классификационной диаграмме клареновых углей Донбасса ДонУГИ-ПГО«Донбассгеология», представляя собой её автоматизированный вариант, что обеспечивает сопоставимость полученных результатов с данными работ других исследователей; б) способ предполагает использование «сырых» данных, не требуя какой-либо предварительной их подготовки, группировки по типу взаимосвязи Vdaf (%) и у(мм).

В практике геологоразведочных работ, при использовании классификационной диаграммы клареновых углей ДонУГИ-ПГО"Донбассгеология", часто возникает потребность более точного отражения степени восстановленности данной конкретной пробы угля. Угли, относящиеся к одному и тому же генетическому типу по восстановленности, могут располагаться у различных границ области этого типа на диаграмме, значимо отличаясь по технологическим свойствам. Можно наблюдать как геолог, пользуясь диаграммой, произвольно уточняет определение генетического типа употрябляя такие, к примеру, выражения: "уголь маловосстановленный генетического типа а рядом с границей маловосстановленных углей", "уголь переходный генетического типа б тяготеющий к восстановленным углям" и т.д.

Вместе с тем сама диаграмма дает возможность более точного измерения восстановленности по классификационным параметрам, положенным в основу диаграммы. К примеру, всякая точка диаграммы может быть однозначно определена через значения любых двух классификационных характеристик (R0 и Vdaf, R<, и у(мм), VdafH у(мм) - в области стадий метаморфизма 1Д - 7Т), разумеется в той области диаграммы, где они являются значимыми.

Предлагаемый способ расчета восстановленности основывается на показателях массового выхода летучих веществ Vdaf и толщине пластического слоя у(мм), входящих в рядовой лабораторный анализ. Любая точка на диаграмме может быть

однозначно задана параметрами выхода летучих веществ Vdaf и пластометрии у(мм) (в области диаграммы, для которой данные показатели являются значимыми: Vdaf от 18 % до 40 %; у от 6 мм до 40 мм). Проекция точки на вертикальную ось дает восстановленность угля в данной пробе. Т.е. между восстановленностью и указанными технологическими характеристиками существует эмпирическая функциональная связь и компонента погрешности.

Для количественного выражения восстановленности через значения Vdaf и у(мм) каждой линии, ограничивающей области различных генетических типов углей, было присвоено целое числовое значение: от 0 до 5. Далее диаграмма была трансформирована в иной вид (рис. 3) - по вертикальной оси откладывался показатель у(мм), по горизонтальной - Vdaf(%). Линии в поле диаграммы соответствуют границам генетических типов по восстановленности, при этом каждая из этих линий проведена через точки с равной восстановленностью и определена целым числовым значением, о котором речь шла выше. Эти линии по существу являются изолиниями показателя восстановленности (он был назван RDI - от reduction index) и в таком виде диаграмма принимает трехмерный вид - где по третьей оси (оси z) откладывается показатель RDI.

Далее изолинии на графике достаточно точно (квадрат корреляции R2 > 0,95) аппроксимировались полиномами третьей степени. Для точки, расположенной в области между изолиниями, значение индекса RDI рассчитывалось путем линейной интерполяции по наименьшему отрезку, соединяющему соседние изолинии и проходящему через данную точку.

Изложенный алгоритм был положен в основу компьютерной программы расчета индекса восстановленности (RDI) клареновых углей Донбасса средних стадий метаморфизма, написанной автором на языке Turbo Pascal 7.0 .

Индекс восстановленности (RDI) измеряется в условных еденицах. Погрешность определения значения RDI зависит от погрешности лабораторного определения исходных характеристик -Vda и у(мм). Принимая максимально допустимые погрешности лабораторного определения Vdaf- 0,5 % (ГОСТ 6382-65) и у - 2 мм

ydaf %

Рис. 3 Границы генетических типов углей по восстановленности в координатах Vdaf (%) - у(мм). Классификационная диаграмма клареновых углей Донбасса ДонУГИ-ПГО'Донбассгеология". Области с различной взаимосвязью показателей Vdaf и у(мм): I - обратная (2Г-4Ж); II - перегиб (4Ж-5К); III - прямая (5К-60С)

(ГОСТ 1186-69), максимальная погрешность определения RDI в конкретной пробе различна для разных областей диаграммы и меняется от 0,24 до 0,81 со средним значением 0,43 (усл.ед.). На практике, как известно, значения погрешности лабораторных испытаний углей (и соответственно определения RDI) меньше.

В пятой главе "Закономерности локальной изменчивости качества и марочного состава углей в системах углеобразования различных типов" приводятся закономерности изменчивости показателей зольности Ad, содержания общей серы Std, влажности Wa и восстановленности RDI, выявленные при изучении марочного состава и качества в различных типах систем, выделяемых в восьми промышленных пластах горловской свиты (т2, т}, т/, т5', т/, т/,

ту, т9) на площади поля шахты им. В.М.Бажанова и детально разведанного участка Бутовский-Глубокий № 2 (всего свыше 250 разведочных скважин), примыкающего к полю шахты с северо-востока. Площади изучения локальной изменчивости подобраны исходя из возможности использовать закономерности, выявленные по данным глубокого опорного бурения - скважина Очеретинская (Щ-1027) расположена в поле шх. им. В.М.Бажанова.

Четвертое защищаемое положение. Типы систем углеобразования одинаковой стадии метаморфизма характеризуются определенными значениями показателей качества углей (пластовая зольность А1*, содержание общей серы Б?1), а также степенью их изменчивости на площади шахтных полей.

Анализ изменчивости показателей качества и восстановленное™ в системах углеобразования различных типов по восьми пластам горловской свиты в пределах однородного в структурном отношении блока (поле шахты им. В.М.Бажанова и примыкающий к нему участок Бутовский-Глубокий № 2) показал наличие закономерностей, выраженных в том, что каждый тип системы характеризуется свойственными ему средними (фоновыми) значениями показателей качества и марочного состава, а также параметрами их изменчивости. Анализ выполнен путем построения около 100 планов изолиний показателей, а также методами математической статистики.

Резко трансгрессивные закрытые системы (РТЗ), выделенные на площади пластов т7 и тб2, характеризуются высоким содержанием общей серы БД с высокой изменчивостью (среднее значение 3,2%, среднеквадратичное отклонение 1,0%) и повышенной зольностью Ай, также варьирующей в значительном интервале (среднее значение 10,7%, среднеквадратичное отклонение 4,3 %).

Нормально трансгрессивные закрытые системы (НТЗ), выделенные на площади пластов тт/ и т3> характеризуются весьма низким содержанием общей серы $Д равномерно выдержанным на площади развития системы (среднее значение 0,7 %, среднеквадратичное отклонение 0,2 %) и низкой зольностью Ай, имеющей относительно невысокую изменчивость (среднее -5,6 %, среднеквадратичное отклонение - 2,6 %).

Рис. 4. План изолиний содержания общей серы Б/1 пласт П1з участок Бутовский-Глуб. № 2

С

Генетические типы углей ^ "оа" о "б" * "ее

угтй: Гнгз) -

* "ее" ----^

тип системы

0.0 1.0 2.0 3 0 4.0 5.0 6.0 7 0

Рис. 5. Распределение генетических типов углей и границы типов систем углеобразования, пласт т,, участок Бутовский-Глуб. № 2

о

Лагунно-континентальные закрытые системы (ЛКЗ), выделенные на площади пластов т$, т63, пг/, т/, т3 и т2, характеризуются высоким содержанием общей серы с весьма высокой изменчивостью (среднее значение 3,5 %, среднеквадратичное отклонение 1,3 %) и высокой зольностью А<!, имеющей весьма высокую изменчивость (среднее значение 12,4 %, среднеквадратичное отклонение 7,2 %). Данному типу системы свойственна наибольшая изменчивость показателей качества углей.

Континентальные открытые системы (КО), выделенные на площади пластов т9 и пь, характеризуются максимально высокой по сравнению с другими системами пластовой зольностью, достаточно выдержанной на площади (среднее - 13,3 %, среднеквадратичное отклонение - 3,5 %).

Рисунки 4 и 5 демонстрируют типовой характер смены как фоновых значений показателей качества и восстановленности, так и параметров их изменчивости при переходе от одного типа системы к другому на площади пласта т3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволяют сделать следующие основные выводы.

1. Процессы углеобразования, определяющиеся действием множества факторов формирующих первичные и вторичные фации литогенеза, имеют сложный, системный характер, что определеляет выбор системного подхода в качестве методической базы их изучения.

2. Системные исследования углей, угольных пластов и угленосных формаций находятся в настоящее время на уровне системного подхода и для прехода к теории требуют количественного обоснования основных положений и внедрения в практику геологоразведочных работ.

3. При одинаковом составе растений-углеобразователей, палеогеографические (ландшафт прибрежной углеобразующей зоны) и тектонические (колебания уровня морского бассейна) факторы контроля среднекарбонового паралического углеобразования в Юго-Западном Донбассе из всех возможных вариантов образуют ограниченное число устойчивых обстановок

угленакопления и захоронения торфяника - систем углеобразования стадии седименто- и диагенеза, овеществленных в литолого-фациальном составе и строении интервала отложений, непосредственно вмещающих угольный пласт. Системы углеобразования закономерно сменяют друг друга во времени при формировании угленосной формации и на площади, согласно смене палеогеодинамического режима. Угли, сформировавшиеся в системах различного типа, характеризуются своеобразием изменчивости качественных и химико-технологических характеристик.

4. Сравнительный анализ различных способов количественного выражения восстановленности клареновых углей на основе их технологических характеристик и качества позволил для дальнейших исследований выбрать, как наиболее эффективный, способ, основанный на расчете индекса восстановленности RDI.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

!. Крылов С.А. Системный подход в изучении процессов метаморфизма углей. Материалы XXXV Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс", секция геологии. Новосибирск: Изд-во НГУ, 1997. С. 2930.

2. Крылов С.А. Изучение изменчивости свойств углей Юго-Западного Донбасса на основе системного метода. Тезисы докладов на Научной конференции молодых ученых СПГГИ(ТУ) "Полезные ископаемые России и их освоение". СПб.: Изд-во СПГГИ(ТУ), 1997. С. 20.

3. Крылов С.А. Опыт разработки количественного показателя степени открытости системы углеобразования по материалам среднего карбона Донбасса. Сборник трудов молодых ученых Санкт-Петербургского горного института (технического университета), вып. 2. СПб.: Изд-во СПГГИ(ТУ), 1998. С. 56-59.

4. Крылов С.А. Связь степени восстановленности угля с литолого-фациальным составом вмещающих пород. Тезисы докладов на Научной конференции молодых ученых СПГГИ(ТУ) "Полезные

ископаемые России и их освоение". СПб.: Изд-во СПГГИ(ТУ), 1998. С. 26.

5. Крылов С.А. Связь восстановленности углей с фациальными условиями углеобразования. Опыт системного исследования клареновых углей. Сборник трудов молодых ученых Санкт-Петербургского горного института (технического университета), вып. 3. СПб.: Изд-во СПГГИ(ТУ), 1999. С. 9-12.

6. Крылов С.А. Развитие фациального анализа в исследованиях угленосной формации Донецкого бассейна. Материалы международной научно-методической конференции посвященной 110-летию со дня рождения акад. Д.В.Наливкина "Историческая и региональная геология в системе геологического образования". СПб.: Изд-во СПГГИ(ТУ), 1999. С. 136-139.

7. Крылов С.А. Генетические аспекты прогноза высокоэффективных угольных пластов в Юго-Западном Донбассе. Тезисы докладов на 10-м Всероссийском угольном совещании "Ресурсный потенциал твердых горючих ископаемых на рубеже XXI века". Ростов-на-Дону: Изд-во 1999. С. 87-88.

8. Крылов С.А. Системы углеобразования в угленосной формации Донбасса по данным глубокого бурения. Межвузовский научный тематический сборник "Геология угольных месторождений", вып. 9. Екатеринбург: Изд.-воУГГА, 1999. С. 142-151.

9. Крылов С.А. Математическое моделирование в геологии. Сборник трудов молодых ученых Санкт-Петербургского горного института (технического университета), вып. 4. СПб.: Изд-во СПГГИ(ТУ), 1999.С. 159-162.

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Крылов, Сергей Александрович

Введение

Глава 1. Геологическое строение основных промышленных свит среднего карбона Юго-Западного Донбасса, марочный состав и качество углей

1.1 Геологические особенности Юго-Западного Донбасса 1О

1.2 Марочный состав и качество углей основных промышленных 17 свит среднего карбона Юго-Западного Донбасса

1.3 Условия образования генетических типов углей 29 по восстановленности

Глава 2. Методика исследований и анализ фактической базы

2.1 Системное моделирование процессов образования 35 клареновых углей Юго-Западного Донбасса

2.2 Фактическая база исследований

Глава 3. Системы углеобразования в угленосной формации 58 Юго-Западного Донбасса

3.1 Типизация систем углеобразования

3.2 Связь генетического типа углей и типа системы 75 углеобразования

Глава 4. Количественное выражение восстановленности клареновых углей

4.1 Индекс восстановленности RDI

4.2 Отклонение фактических значений толщины пластического 84 слоя у(мм) от расчетных по уравнению линейной регрессии у (мм) = { (Vdaf)

Введение Диссертация по геологии, на тему "Закономерности изменения качества углей Юго-Западного Донбасса"