Актуальность диссертационной работы. В последние годы резко обострились энергетические проблемы на территории Дальнего Востока. Решение этих проблем во многом зависит от эффективной работы угледобывающей промышленности этого региона. Одним из наиболее перспективных месторождений для разработки открытым способом является Огоджинское месторождение в Амурской области. При освоении этого месторождения возникает целый комплекс проблем, среди которых центральное место занимает проблема устойчивости бортов проектируемых карьеров.
Решение данной проблемы требует всестороннего изучения и учета инженерно-геологических особенностей месторождения и, в первую очередь, закономерностей формирования физико-механических свойств пород при литогенезе.
Именно проблема формирования физико-механических свойств при литогенезе является приоритетной среди других проблем и имеет исключительно актуальное значение.
Цель и задачи работы. Целью работы является выявление закономерностей формирования физико-механических свойств горных пород угленосных отложений при литогенезе. Основными задачами работы являлись:
1. Выполнение комплексных инженерно-геологических исследований и выявление закономерностей формирования физико-механических свойств пород при литогенезе.
2. Детальное изучение минерального состава горных пород и установление закономерностей их постдиагенетических преобразований.
3. Выявление роли постдиагенетических преобразований пород при формировании их физико-механических свойств. 5.
4. Установление закономерностей пространственной изменчивости физико-механических свойств пород.
5. Выявление природы прочности пород и оценка их устойчивости в бортах глубоких карьеров.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
— впервые на основе стадиально-генетического анализа установлены закономерности постдиагенетических преобразований горных пород угленосных отложений и выявлена их роль в формировании физико-механических свойств. Показано, что под воздействием процессов катагенеза и метагенеза происходят изменения состава пород, появляются новые, более прочные, структурные связи, что приводит к значительному упрочнению пород;
— доказана обусловленность прочности пород вторичными (катагенетическими) их изменениями, приведшими не только к изменению характера структурных связей, но и прочностных свойств пород;
— с учетом выявленных закономерностей формирования физико-механических свойств разработана инженерно-геологическая классификация пород, положенная в основу при оценки устойчивости бортов карьеров;
— рекомендованы методы и произведена оценка устойчивости бортов глубоких карьеров.
На защиту выносятся;
1. Выявленные закономерности и ведущие факторы формирования физикомеханических пород угленосных отложений при литогенезе, среди которых решающая роль принадлежит катагенетическим преобразованиям пород в ходе геотектонического развития рассматриваемого региона- 6.
2. Природа прочности и инженерно-геологическая классификация горных пород угленосных отложений;
3. Научные подходы и результаты прогнозной оценки устойчивости бортов глубоких карьеров. :
Практическая значимость работы. Полученные результаты исследований имеют исключительно важное практическое и народно-хозяйственное значение при освоении Огоджинского угольного месторождения и строительстве угольных карьеров.
Они непосредственно использованы геологическими организациями при подсчете и утверждении запасов угля в ГКЗ, а проектными при проектировании карьеров.
В дальнейшем эти результаты будут положены в основу при решении геоэкологических проблем и организации мониторинга геологической среды.
Апробация работы. Основные результаты исследований публиковались и докладывались на юбилейной конференции «Проблемы геологии Сибири» (75 лет геологического образования ТГУ, Томск, 1996 г.), на Международной геологической конференции «Геоэкологические проблемы урбанизированных территорий» (Томск, 1999 г.), на научно-методической конференции, посвященной 85-летию В. Д. Ломтадзе (Санкт-Петербург, 1997 г.), Сергеевских чтениях годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (Москва, 2001), на международной научно-технической конференции «Горно-геологическое образование в Сибири. 100 лет на службе науки и производства» (Томск, 2001 г.), на научно-технических семинарах кафедры.
По теме диссертации опубликовано 6 работ, 1 монография (в печати). 7.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ.
Проблема формирования физико-механических свойств горных пород при литогенезе является одной из актуальнейших в современной инженерной геологии. В решение данной проблемы существенный вклад внесли известные ученые Е. М. Сергеев, В. Д. Ломтадзе, В. И. Осипов, И. П. Иванов, В. Т. Трофимов и другие (17, 21, 55).
Применительно к угленосным отложениям решение данной проблемы нашло отражение в работах С. И. Малинина, И. П. Иванова, В. Е. Ольховатенко, В. В. Гречухина и многих других (21, 55, 14, 43).
Важное значение при решении вопросов формирования физико-механических свойств горных пород имеют фундаментальные труды в области теории литогенеза Н. М. Страхова, Л. Б. Рухина, С. И. Малинина, Н. В. Логвиненко и других (26, 33, 32, 21, 19).
Исключительно интересными представляются исследования по Донецкому бассейну, изложенные в работах С. И. Малинина, В. В. Фромма, Б. В. Смирнова и других (21, 38).
В частности, С. И. Малининым установлены закономерности вторичных (катагенетических) преобразований горных пород Донбасса и выявлена их роль в формировании физико-механических свойств. Им убедительно показано, что катагенетические процессы сильно изменяют горные породы и, в первую очередь, изменяются их физико-механические свойства. В результате изменения пород от диагенеза до метаморфизма, которые протекают при температуре 200° С и давлении 2000 атмосфер, происходит постепенное уплотнение осадочных пород, что ведет к уменьшению пористости и увеличению плотности. Следовательно, определенные типы пород на всех стадиях непрерывно повышают свои прочностные свойства и становятся все более устойчивыми.
Автором были исследованы все наиболее типичные для Донецкого угольного бассейна породы: песчаники, алевролиты с разнообразными типами цемента, аргиллиты и известняки. По мнению исследователя, наиболее легко поддаются изучению песчаники, и наиболее трудно — глинистые породы.
Хорошим индикатором является кварц в песчаниках и алевролитах. Вначале постдиагенетических преобразований идет уплотнение пород, вплоть до соприкосновения обломочных зерен, без процессов регенерации. Далее в зернах кварца появляется волнистое угасание, потом начинается образование мозаичных структур (грануляция), после чего идет переотложение кварца, что приводит к регенерации зерен и конформным структурам. Коррозия происходит на всем протяжении процесса. Зерна полевых шпатов и обломочные слюды испытывают деформацию по спайности и т. д.
Таким образом, в период катагенетических преобразований, песчаный и глинистый материал испытывает деформацию, перекристаллизацию и появление новообразований. Известняки и сидериты пере-кристаллизовываются. Микрозернистые разности переходят в более крупнокристаллические, а остатки органики перекристаллизовываются с краев, иногда и полностью. Изменяется способность глинистых и обломочных пород с глинистым цементом размокать в воде. Глинистые компоненты пород (каолинит, гидрослюда, монтмориллонит) в процессе изменения угленосных толщ подвергаются серицитизации с последующим переходом серицита в мусковит.
С.И. Малининым на территории Донецкого бассейна выделены следующие стадии:
Стадия 0−1 (буроугольная). Характеризуется тем, что породы с глинистым цементом в течение нескольких минут размокают в воде, породы с карбонатным и известковым цементом размокают медленно. На этой стадии признаков минеральных новообразований и процессов бластеза в обломочных породах не обнаружено. Величина временного сопротивления сжатию у пород с базальным глинистым цементом составляет 700 кг/см, а в песчаниках с у карбонатным цементом — 900 кг/см .
Стадия I. Характеризуется таким же набором пород, как и предыдущая стадия. Новообразований нет. Породы с глинистым цементом размокают в воде достаточно быстро (20−30 минут), временное сопротивление сжатию 800 900 кг/см2. Песчаники с карбонатным цементом обладают более высокими прочностными показателями: временное сопротивление сжатию 1300 кг/см, что соответствует пределу прочности известняков этой же стадии. Стадия П. Разделяется на три подстадии по показателям отражательной способности витринита. Обломочные породы с глинистым цементом теряют способность размокать в воде. Механическая прочность пород возрастает, предел прочности на одноосное сжатие для песчаников с глинистым цементом.
2 2 — 1400 кг/см, а для смешанных глинисто-карбонатных цементов — 1450 кг/см, у для пород с карбонатным цементом.
1500 кг/см. На этой стадии обломочные породы впервые испытывают новообразования, еще больше уплотняются и теряют способность размокать в воде.
Стадия Ш. Характеризуется процессами регенерации кварца, гидратацией мусковита и серицитизацией олигоклаза, интенсивным бластезом гидрослюды и образованием вторичного серицита, процессами коррозии и замещением обломков карбонатом. Временное сопротивление сжатию у У песчаников с глинистым цементом — 1450 кг/см, со смешанным глинисто-карбонатным — 1500 кг/см2, с известковым цементом — 1600 кг/см2. Замечено, что наличие в породе угольного вещества предохраняет неорганическую часть породы от изменений.
Стадия IV. Зерна кварца подвержены коррозии, нередко с волнистым угасанием, иногда гранулированы. В случаях преобладания глинистого цемента наблюдается довольно интенсивное образование вторичного серицита и его бластез. Кальцит цемента перекристаллизовывается и замещает зерна обломочного кварца и полевых пшатов. Временное сопротивление сжатию для пород с глинистым цементом — 1500 кг/см2, со смешанным глинисто-карбонатным — 1600 кг/см2, с карбонатным — 1700−1750 кг/см2.
Стадия V. Временное сопротивление сжатию у песчаников с базальным глинистым цементом несколько снижается — 1500 кг/см2, что объясняется образованием в породе значительного количества хрупких слюд. У пород со смешанным цементом показатели временного сопротивления сжатию остаются такими же, как и в предыдущем случае — 1550−1600 кг/см2, известняки и песчаники с базальным карбонатным цементом — 1850 кг/см2.
Стадия VI. Характеризуется значительным изменением под воздействием вторичных процессов полевых шпатов, механической их деформацией. Содержание вторичного серицита достигает 40%. Вторичный кварц образует на зернах регенерационные каемки. При базальном типе цемента идет интенсивное замещение обломочного материала кальцитом. Временное сопротивление сжатию у всех разновидностей пород повышается, кроме песчаников и алевролитов с глинистым цементом, у которых оно снова несколько падает, что также объясняется сильным развитием хрупких слюд, снижающих прочностные качества пород.
Стадия VII. Стадия метаморфизма углей соответствует марке углей полуантрацитов. Характерными особенностями являются процессы срастания между собой зерен кварца и «текучесть» кварца магматического происхождения. Аргиллиты переходят в более крупнозернистые с большим количеством вторичного серицита, переходящего в мусковит, и приобретают сланцеватое строение. Песчаники с базальным глинистым цементом в отличии от двух предыдущих стадий резко повышают свои прочностные свойства до 1750 кг/см2, грубозернистые песчаники до 2100кг/см2.
Породы находящиеся на VIII, EX, X стадиях характеризуются значительной устойчивостью в горных выработках по сравнению с породами более низких стадий. В породах с поровым глинистым цементом нарастание вторичного кварца приводит к образованию сливных структур, что повышает устойчивость пород и их прочностные характеристики.
Такйм образом, физико-механические свойства обломочных пород Донецкого угольного бассейна зависят от цемента, так как состав их в пределах угленосных толщ остается неизменным.
В работе В. В. Гречухина (45) освещаются результаты исследований, выполненных на территории Печорского угольного бассейна. Отложения бассейна представлены песчаниками, алевролитами, аргиллитами и углями с конкрециями и линзами конгломератов. Изучались физические свойства аргиллитов, алевролитов и песчаников: пористость, плотность сухих и насыщенных водой пород, минералогическая плотность, удельное электрическое сопротивление и скорость распространения упругих волн. Автором замечено, что при высших степенях эпигенеза происходит нивелирование некоторых физических свойств пород (плотности и пористости) и небольшая дифференциация других свойств (например, электрических). Угольные пласты претерпевают изменения, свойственные стадиям метаморфизма, более значительные, чем вмещающие породы. Изменения физических свойств пород вызываются геологическими процессами, приводящими к погружению (прогрессивный эпигенез) или поднятию (регрессивный эпигенез) осадочных пород, что выражается в возрастании давления и температуры. Происходящие изменения физических свойств пород, как правило, необратимы.
Пористость уменьшается с увеличением глубины погружения осадочных пород, под влиянием возрастающего давления вышележащих пород и увеличением температуры, с изменением пористости изменяется плотность, упругие и электрические свойства, следовательно, пористость является определяющим фактором изменения большинства физических свойств пород. Физические свойства пород изменяются по площади бассейна. На площади бассейна выделено два основных направления, по которым наблюдаются закономерные изменения физических свойств всех вмещающих пород и углей. По мере приближения к восточной и северо-восточной границам бассейна происходит уменьшение значений пористости и скорости распространения упругих волн, эти изменения идут в одном направлении для всех углей и вмещающих пород. В песчаниках наиболее отчетливо проявляются изменения показателей удельных сопротивлений. В том же направлении, что и степень метаморфизма, изменяется марочный состав углей с возрастанием степени их углефикации с юго-запада на юго-восток.
В.В. Гречухин делает вывод, что эти особенности являются отражением единого геологического процесса, который определил изменения горных пород Печорского бассейна.
Выявленные региональные закономерности изменения физических свойств горных пород позволяют прогнозировать марочный состав углей и осуществлять поиски угольных месторождений с дефицитными марками углей по данным геофизических методов разведки, а также осуществлять корреляцию разрезов скважин.
Типовой петрографический разрез отложений Печорского угольного бассейна, который принадлежит к геосинклинальному типу характеризуется сопоставлением мощностей угленосной толщи по стадиям эпигенеза пород и метаморфизма углей. Мощность угленосных отложений одинаковых стадий метаморфизма угля близки по многим бассейнам, что обосновывается правилом универсальности петрографических закономерностей угленосных отложений.
В.В. Гречухиным выделено 14 стадий метаморфизма углей и эпигенеза вмещающих пород.
Первая стадия — землистых бурых углей (Bi), или начального диагенеза осадка, характеризуется его свободным уплотнением. Наиболее интенсивно уплотняются глинистые отложения, обогащенные органикой, минимальное.
13 уплотнение происходит в песках. Образование торфов происходит при сингенезе. На стадии диагенеза торф преобразуется в бурый уголь.
Вторая стадия — плотных (матовых) бурых углей (Б2), или раннего диагенеза осадков, которая характеризуется затрудненным его уплотнением, при глубине 250−750 м, а давлении 40−120 кг/см2 и температуре до 20 °C. На этой стадии увеличивается глубина погружения, осадки интенсивно уплотняются, уменьшается мощность глинистых отложений и медленное, но все же более быстрое, чем на первой стадии, уплотнение песков. Уголь далее преобразовывается и переходит от землистых бурых углей к плотным матовым бурым углям, снижается выход гумусовых кислот до 20%, повышается содержание углерода, а водорода снижается.
Третья стадия — блестящих бурых углей (Бз), или среднего диагенеза осадков. При глубине 750−2000 м, давлении 120−140 кг/см2 и температуре 20−50°С происходит развитие процессов диагенеза бурого угля и перехода к стадии каменных углей (Б-Д). Происходит дальнейшее уплотнение песков, уменьшение их пористости и увеличение плотности, увеличивается скорость распространения упругих волн и удельное электрическое сопротивление пород. На этой стадии завершается образование бурых углей.
Четвертая стадия — переходных углей от бурых к каменным (Б-Д), или завершения диагенеза осадков, соответствующая максимальной глубине их погружения (2000;2250 м), при давлении 400−460 кг/см2, температуре Характеризуется сближением значений пористости у песков, алевролитов и глин, залегающих на одной глубине, а так же сближением значений плотности сухих и насыщенных пород. Пористость уменьшается, плотность сухих пород увеличивается, минералогическая плотность не изменяется. Скорость распространения упругих волн и удельное электрическое сопротивление незначительно увеличиваются. На этой стадии начинается метаморфизм бурых углей и постепенный переход их в каменные угли, то есть происходит не только механическое уплотнение вещества, но и его химическое преобразование.
Пятая стадия — начальная стадия длиннопламенных углей (Д1), или начальная стадия эпигенеза вмещающих пород, при глубине погружения пород 2250−2600 м, давлении 460−540 кг/см2, температуре 55−65°С. Породы глинистого состава еще больше уплотняются, уменьшается их пластичность, начинается образование аргиллитов. Развивается цементация песчаных пород, что приводит к уменьшению пористости. На этой стадии преобразуются угли и вмещающие породы с выраженной инверсией их физических свойств, что можно принять, по мнению исследователя, за естественную и четко фиксированную границу между фазами диагенеза и эпигенеза вмещающих пород и между бурыми и каменными углями.
Шестая стадия — завершающая стадия длиннопламенных углей (Д2), или стадия консолидации пород. Глубина погружения пород 2600−3000 м, давление.
9 П.
540−650 кг/см, температура 65−75 С. Идет дальнейшее уплотнение пород и увеличение с глубиной разницы в значениях физических свойств. Параллельно появляется закономерность — общее уменьшение градиентов пористости и плотности по сравнению с предыдущей стадией, то есть наблюдается стабилизация физических свойств. На этой стадии окончательно завершается преобразование песков в песчаники и их цементация.
Седьмая стадия — каменных газовых углей (Г), или стадия начала глубинного эпигенеза вмещающих пород, при глубине погружения пород 30 003 800 м, при давлении 650−850 кг/см2 и температуре 75−95°С. Общее уменьшение с глубиной градиентов изменения пористости, плотности и скорости распространения упругих волн и увеличение с глубиной разницы в абсолютных значениях всех рассматриваемых параметров для песчаников, алевролитов и аргиллитов. Максимальной пористостью характеризуются аргиллиты, минимальной — песчаники. Соответственно, наибольшее значение плотности и скорости распространения упругих волн — у песчаников, наименьшая — у аргиллитов. На этой стадии минералы и цемент пород перекристаллизовываются.
Восьмая стадия — жирных каменных углей (Ж), или эпигенетическая стадия максимальных вариаций уплотнения литологических разностей вмещающих пород. На этой стадии, при глубине погружения пород 3800−4400 м, давлении 850−1000 кг/см2 и температуре 95−110°С, продолжается стабилизация в уплотнении глинистых пород и происходит перекристаллизация глинистого цемента в песчаниках. Изменение значений физических свойств пород объясняется механическим уплотнением и изменением минералогического состава пород.
Девятая стадия — коксовых каменных углей (К), или эпигенетическая стадия начального уменьшения вариаций уплотнения литологических разностей вмещающих пород. Глубина погружения пород составляет 44 009 П.
4800 м, давление- 1000−1100 кг/см и температура — 110−120 С. С увеличением глубины погружения породы еще более уплотняются, уменьшается их пористость, плотность и скорость распространения упругих колебаний. Одновременно резко увеличиваются градиенты изменения удельного электрического сопротивления пород, особенно в таких породах, как песчаники. И эта особенность значительного возрастания величины сопротивления в песчаниках по отношению к алевролитам и аргиллитам сохраняется на всех последующих стадиях. Угли преобразуются из жирных каменных в коксовые, которые характеризуются минимальными значениями скорости распространения упругих волн по сравнению с другими марками углей.
Десятая стадия — отощенно-спекающихся каменных углей (ОС), или завершающая стадия весьма сильно затрудненного уплотнения вмещающих пород (глубина погружения пород — 4800−5150 м, давление — 1100−1200 кг/см, температура — 120−130°С). С увеличением глубины в породах происходит дальнейшее сближение физических свойств песчаников, алевролитов и.
16 аргиллитов. Так же наблюдается дальнейшее увеличение удельного электрического сопротивления и расхождение его значений для разных литологических типов пород. На этой стадии завершается процесс гравитационного уплотнения песчаников.
Одиннадцатая стадия — тощих каменных углей (Ti), или начальная стадия безгравитационного уплотнения пород. Глубина погружения пород 5150−5800 м, давление — 1200−1350 кг/см2, температура — 130−145°С. Уплотнение пород происходит за счет цементации поровых каналов, что усиливает сглаживание в значениях плотности сухих и насыщенных пород и приводит к резкому повышению удельного электрического сопротивления.
Двенадцатая стадия — стадия перехода от класса каменных углей к классу 1 антрацитов (Т2-ПА1), или начальная стадия электронной проводимости углей, а по вмещающим породам — это стадия метаморфизма аргиллитов, при глубине погружения пород 5800−6300 м, давлении — 1350−1500 кг/см2, температуре -145−160°С. Метаморфизм углей достигает высокой степени, при которой происходит полная перестройка структуры органического вещества, что выражается в изменении химических и физических свойств углей. Появляется электронная проводимость углей, что приводит к снижению удельного сопротивления у вмещающих пород. Пористость уменьшается, плотность увеличивается, так же как и скорость распространения упругих волн.
Тринадцатая стадия — полуантрацитов, или завершения первоначального метаморфизма аргиллитов, соответствующая глубине погружения пород 63 006 700 м, давлению — 1500−1700 кг/см2 и температуре — 160−175°С. Изменения физических свойств происходят так же, как и на предыдущей стадии.
Четырнадцатая стадия — антрацитов, или глинистых сланцев при глубине — 7000 м, давлении — 1700−3000 кг/см2 и температуре — 175−300°С. Изменения физических свойств аналогичны стадиям XII и XIII.
На стадиях диагенеза и раннего эпигенеза максимальные значения градиента приурочены к пористости и плотности породна последующих стадиях — к удельному электрическому сопротивлению.
Автор отмечает, что при тектонических движениях вверх породы испытывают наибольшее напряжение, так как при этом развиваются усилия для разрыва пород, что и определяет преобразование углей и вмещающих пород. Так же при тектонических движениях может наблюдаться повышение температуры, что создает условия для динамометаморфизма.
Для Кузнецкого угольного бассейна проблемы формирования физико-механических свойств достаточно подробно освещаются в работах В. Е. Ольховатенко, Г. Г. Щербака, А. А. Краевского и других.(13, 46, 47).
С использованием системного подхода В. Е. Ольховатенко были установлены закономерности формирования инженерно-геологических условий, в том числе физико-механических свойств пород при литогенезе. При этом исследования включали изучение статической, динамической и ретроспективной систем. При ретроспективной реконструкции условий формирования физико-механических свойств пород было установлено, что начало катагенетических преобразований наблюдается на стадии переходной от бурых к длиннопламенным углям, что выражается в частичном замещении плагиоклазов и зарождении вторичных структурных связей.
В качестве критерия для выделения стадий литогенеза пород использовались степень углефикации, марочный состав углей, степень литогенетических преобразований пород и закономерности изменения их физико-механических свойств. Линия разделяющая землистые угли (Ej) и плотные блестящие угли (Б2.з), является границей между стадиями конечного диагенеза и катагенезом. Переход от отощенно-спекающихся и тощих углей к антрацитам и полуантрацитам является границей между катагенезом и метагенезом.
Внутри стадии катагенеза, автор выделяет три подстадии: начальную, среднюю и конечную. Граница между начальным и средним катагенезом проводится при переходе от газовых углей к газово-жирным, а между средним и конечным катагенезом — от коксово-жирных к переходным коксово-жирнымкоксовым. Такое разделение на стадии подтверждается изменением физико-механических свойств горных пород. Так плотность минеральных частиц песчаников и алевролитов изменяется крайне незначительно, начиная с конечного диагенеза и кончая метагенезом, что свидетельствует о существовании одних и тех же областей сноса на протяжении всего периода осадконакопления угленосных отложений, постдиагенетические процессы не оказали существенного влияния на плотность минеральных частиц.
Плотность пород формировалась в три этапа. Первый этап характеризуется резким возрастанием плотности при переходе от конечного диагенеза к начальному катагенезу. Второй этап характеризуется значительно меньшим приращением плотности между начальным и конечным катагенезом. В интервале между конечным катагенезом и метагенезом происходит крайне незначительное увеличение плотности у песчаников и алевролитов.
В целом, отмечает В. Е. Ольховатенко, изменения показателя плотности независимы от литологического типа пород, но в стадию диагенеза он выше у алевролитов, а в стадию метагенеза — у песчаников.
Следовательно, в постдиагенетический период вплоть до начального и среднего катагенеза решающее значение при формировании плотности сыграли процессы уплотнения пород. Начиная со среднего катагенеза и кончая метагенезом, уплотнение пород является весьма затрудненным и не обеспечивает их значительного упрочнения. Пористость и влажность пород закономерно уменьшается по мере возрастания степени литогенеза пород.
Установленные общие закономерности изменения физических свойств пород Кузбасса при литогенезе отличаются от таковых для прочностных показателей. Так, временное сопротивление сжатию и сцепление, в общем, идентично изменяются на различных стадиях литогенеза, а угол внутреннего трения не подчиняется этим закономерностям. Между временным сопротивлением сжатию и стадиями литогенеза существует почти линейная зависимость, что обеспечивает одинаковые приращения данного показателя на различных стадиях.
Следовательно, решающим фактором упрочнения пород, начиная со средней стадии катагенеза и вплоть до метагенеза, являются изменения в составе, типе и прочности структурных связей, обусловленные процессами литогенеза. Важное значение при этом отводится гидролизу аллюмосиликатов, сопровождающемуся образованием катагенетических карбонатов и замещением ими полевых шпатов, эффузивов и глинистого цемента пород.
Вопросам формирования физико-механических свойств пород Канско-Ачинского бассейна посвящены исследования Ф. П. Нифантова, В. Е. Ольховатенко, В. Н. Пуляева. (48, 49).
В частности, В. Н. Пуляевым показано, что диагенетические преобразования осадков происходят под влиянием многих процессов, среди которых самым важным являются гравитационные уплотнения, скорость которых определяется механическим составом, скоростью фильтрации и другими особенностями. В зависимости от размеров и формы зерен осадка меняется его проницаемость. С увеличением проницаемости увеличивается скорость миграции минерализованных растворов. Если первичным цементом песчаников был глинистый материал, на ранних стадиях наблюдалась его перекристаллизация (при гидратации каолинит переходит в хлорит и монтмориллонит). При отсутствии миграции растворов и недостатке кислорода наиболее ранними диагенетическими минералами становятся пирит, марказит и сидерит. Минеральное равновесие часто изменялось, что приводило к перераспределению веществ внутри системы, выносу отдельных элементов и пополнению раствора новыми компонентами. Все эти процессы сформировали в основном недостаточно прочные и недостаточно устойчивые горные породы.
Для реконструкции процессов литогенеза используется характер изменчивости физико-механических свойств. Автором изменчивость показателей свойств пород проверена по трем направлениям: параллельно области сноса, нормально области сноса материала и по глубине. С глубиной выявлено два типа изменчивости: стационарная и нестационарная. Для многих месторождений выявились определенные границы, где показатели свойств пород испытывают наибольшие изменения. В верхней зоне, которая представляет собой зону современного выветривания пород, где наблюдаются наибольшие нестационарные изменения прочности и плотности пород, в песчаниках плотность незначительно увеличивается, также слабо уменьшается пористость и влажность, вследствие чего прочность остается очень низкой. Для алевролитов наблюдается более четкая зависимость увеличения с глубиной прочности и плотности пород. В нижней зоне изменчивость показателей свойств пород является стационарной. Таким образом, на характер изменчивости свойств горных пород наложили свой отпечаток не только литолого-фациальные, но и последующие постдиагенетические и тектонические процессы, в том числе и выветривание пород.
В.Н. Пуляев отмечает, что на прочностные свойства горных пород КАТЭКа влияют различные факторы. Так прочность полускальных пород и алевролитов значительно ниже прочности отдельных зерен, поэтому минералогический состав крупной фракции не определяет прочности обломочных пород месторождения, а обусловлена она, главным образом, составом, количеством и прочностью цементирующего вещества, а также прочностью склеивания цемента с частицами. Наиболее прочными, по результатам исследований, являются породы сцементированные сидеритом, дополненным гидросиликатом кальция. С увеличением в породах СаС03 заметно возрастает их прочность. Гравитационное уплотнение влияет на изменение пористости, реже прочности, с глубиной. Для разных районов и пород выявлены критические глубины, до которых породы интенсивно уплотняются и отдают воду. Так, в пределах исследованных глубин месторождений, автор намечает две зоны, отличающиеся уровнями колебаний физико-механических свойств. Верхняя зона четвертичных и выветрелых пород до глубины 30−70 м, в которой породы пониженной прочности в зависимости от возраста, литологического состава и степени диагенеза пород. Вторая зона — до глубины более 30−70 м, в которой отмечаются значительные колебания влажности и прочности пород.
Прочность пород обусловлена составом, типом цемента и наличием микротрещиноватости. Более прочными являются мелкозернистые монолитные песчаники и грубые алевролиты, сцементированные карбонатным цементом. Микротрещиноватость обычно возрастает от песчаников к аргиллитам. В процессе формирования и последующего диагенеза, вследствие уменьшения пористости, что ведет к увеличению плотности, происходит не только упрочнение пород, но и разупрочнение за счет образования микротрещиноватости, которая приводит к дифференциальному ослаблению и к неоднородности каждой породы по свойствам. Прочность слабых полускальных пород также снижается с увеличением влажности.
Закономерности формирования физико-механических свойств горных пород Горловского угольного бассейна подробно освещается в работах Г. П. Сенотрусова, М. И. Юдина (50, 51). Согласно этим исследованиям катагенез горных пород Горловского бассейна можно представить в виде реакции:
МИНЕРАЛЫ• ЦЕМЕНТА.
МдО ¦ А1203 • 5Si02 • пН20 + 2[А1г03 • 2S/02 • 2НгО] + монтмориллонит каолинит.
В-ОБЛОЖАХ [к20 • АЮ3 ¦ 3Si02] У ' + Ca0AL203 ¦ 2Si02 + 2СОг.
ОРТОКЛАЗ АНОРТИТОВАЯ МОЛЕКУЛАР-Р ПЛАГИОКЛАЗА.
ШНЕРАЛЫ ¦ ¦ ¦ ЭПИГЕНЕЗА.
2[КгО • ЗА1203 • 6Si02 • 2Н20] + CaMgiCOX + 5Si02 + пН26.
V -/ V.: J У J.
МУСКОВИТ • (СЕРИЦИТ) ДОЛОМИТ РЕГЕНЕРАЦ. ¦ КВАРЦ
Катагенез выражается в перераспределении вещества углевмещающих пород и направлен в сторону достижения физико-химического равновесия. За счет низких температур, подвижность компонентов ограничена и состояние равновесия достигается лишь в отдельных точках. Поэтому в одних участках шлифа видна регенерация кварцевых зерен, в других, при дефиците SiCb, в связи с образованием вторичной слюды — разъедание кварцевых зерен. Эти процессы приводят к повышению прочности пород, так как увеличивается поверхность сцепления обломков с веществом цемента, особенно при разъедании контуров обломков. При регенерации уменьшается объем цемента породы, что приводит к снижению пористости, от чего повышается прочность. Появление эпигенетического карбоната, обусловлено метасоматическими процессами в обломочных породах в результате привноса в них углекислоты, что способствует понижению пористости и повышению прочности.
С повышением температуры скорость химико-минералогических преобразований активизируется. В стадию позднего катагенеза появляются структуры растворения, микростилолитовые сочленения, регенерация, исчезают амфиболы, пироксены, биотит, появляются новообразованные серицит (гидромусковит), карбонаты, хлорит и др.
Изучению угольных месторождений Южно-Якутского бассейна посвящены работы В. В. Фромма (52). Им, условия формирования и установления изменчивости физико-механических свойств угленосных пород изучались с позиции литогенеза. Выделены основные литолого-петрографические типы пород: гравелиты, песчаники от крупнозернистых до мелкозернистых, алевролиты и аргиллиты. Сравнение прочностных свойств показало, что песчаники среднеи мелкозернистые имеют одинаковый диапазон изменений частных значений и близкие средние значения показателей прочностных свойств, у крупнозернистых песчаников наблюдаются более пониженные показатели. Значительные изменения прочностных свойств происходят при переходе от песчаных к пылеватым породам. Средние значения прочности при сжатии алевролитов и аргиллитов уменьшаются. Текстура пород также оказывает значительное влияние на их.
23 прочностные свойства, породы с различной текстурой характеризуются разными прочностными свойствами. Так же прочность пород зависит от типа, состава и содержания цемента. Наиболее прочными являются породы с контактово-поровым кварцево-регенерационным цементом или кальцитовым, наиболее низкими — с базальным глинистым цементом.
Автор отмечает, что в Южно-Якутском угольном бассейне определяющую роль в формировании пород играют петрографический состав и степень его вторичного преобразования в процессе литогенеза, то есть наличие большого количества обломочного материала (до 70−90%), высокое содержание в нем кварца, а так же обломков кремнистых и кварцевых пород, пегматита и роговикаотносительно небольшое содержание цемента в общей массе породы, гидрослюдистого, карбонатного и кварцевого регенерационного состава, относящегося к контактово-поровому, пленочному, коррозионному и базальному типузначительное вторичное преобразование пород, выразившееся в развитии конформных и инкрустификационных структур приспособления и срастания обломочных зеренвысокая общая карбонатность пород за счет присутствия кальцитовых и кальцит — сидеритовых конкреций.
Приведенный выше анализ результатов исследований по проблеме формирования свойств горных пород при литогенезе показал, что существуют различные подходы к решению данной проблемы. При этом применительно к угольным месторождениям чаще применялся стадиально-литогенетический подход, основанный на детальном изучении изменений в составе, структуре, характере и прочности структурных связей на различных стадиях литогенеза. Причем для выделения стадий литогенеза различные авторы используют различные критерии.
Наиболее распространенной считается классификация, предложенная Л. Б. Рухиным (32), который в истории формирования осадочных пород различает следующие стадии: 1) образование осадочного материала.
24 выветривание) — 2) перенос- 3) отложение- 4) преобразование осадков и осадочных пород.
Последняя стадия в свою очередь распадается в свою очередь на следующие этапы: а) преобразование осадочного материала на поверхности осадка и у дна водоема (сингенез). Осадок во многих случаях представляет собой коллоидную студенистую массу, содержащую большое количество воды. В результате деятельности бактерий органическое вещество осадка претерпевает глубокое преобразованиеб) дальнейшее изменение самого осадка, превращение его в породу (диагенез). Процессы происходят во всей толще осадка, изолированного более молодыми слоями от среды, в которой он отлагался. В осадках циркулируют иловые воды. При диагенезе в осадках происходит образование новых минералов. На завершающем этапе диагенеза осадки превращаются в осадочные породыв) изменение породы (эпигенез). Эти изменения осадочных пород приводят либо к выветриванию, либо к метаморфизму.
Л.Б. Рухин ввел понятия регрессивного и прогрессивного эпигенеза. Прогрессивный эпигенез связан с погружением осадочных пород в более глубокие горизонты земной коры. По мере погружения осадочных пород наблюдается преобразование минералов, приспособление их к более высоким температурам и давлениям. В завершающую стадию прогрессивный эпигенез переходит в метаморфизм. Регрессивный эпигенез вызывается поднятиями земной коры, в результате которых осадочные породы перемещаются в области понижающихся температур и давлений. При этом также происходит преобразование минералов, неустойчивых к условиям поверхностных горизонтов земной коры. Регрессивный эпигенез при дальнейшем развитии поднятия земной коры заканчивается выветриванием. Граница между прогрессивным и регрессивным эпигенезом проводится по подошве зоны окисления. В общем характере преобразований в регрессивном эпигенезе наблюдается много общего с прогрессивным эпигенезом, но преобразования идут в обратной последовательности.
Существует другая классификация, предложенная рядом авторов (Тимофеев и др., 1974, Фролов, 1992):
1. Седиментогенез.
1). Мобилизациявыветривание и вулканизм;
2). Перенос и миграция вещества;
3). Накопление и седиментация.
2. Литогенез.
4). Диагенез;
5). Катагенез или эпигенез;
6). Метагенез.
Стадия литогенеза включает подстадии диагенеза, катагенеза и метагенеза, в результате которых горная порода приспосабливается к изменяющейся окружающей обстановке: повышению температуры и давления. Во время стадии литогенеза осадочные горные породы непрерывно преобразуются. Взаимодействуя с частицами осадка, вода и растворенные в ней вещества вызывают их преобразования, замещение одних минералов другими.
В стадию диагенеза происходит уравновешивание многочисленных реакционноспособных веществ со средой отложения осадка. При катагенезе осадки уже изолированы от среды отложения более молодыми слоями, под действием силы тяжести которых происходят преобразования пород: уплотнение, частичная перекристаллизация, цементация, изменение минерального состава и др. В стадию метагенеза осадочные породы подвергаются воздействию повышенных давлений и температур.
По терминалогии предложенной Н. М. Страховым и Н. В. Логвиненко (44), стадию изменения пород от первичного диагенеза до метаморфизма принято называть термином «катагенез», так как термин «эпигенез», по мнению авторов, является слишком обширным и охватывает все стадии преобразования породы до ее выветривания.
Катагенез характеризует процессы, происходящие при температуре 200 °C и давлении 2000 атм. В стадию катагенеза происходит постепенное уплотнение осадочных пород, ведущее к уменьшению пористости и увеличению объемного веса. Изменения минерального состава и перекристаллизация цемента происходит без привноса вещества извне. В результате процессов катагенеза меняется лишь внешний облик пород и их физико-механические свойства.
Такой терминологии придерживается С. И. Малинин (21), который считает, что вторичные изменения осадочных пород начинаются с момента, когда осадок становится породой. К тому времени еще не полностью заканчивается процесс диагенеза, и таким образом, происходит наложение процессов диагенеза и катагенеза, в течение какого-то промежутка времени, который обуславливается термодинамическими условиями и сложными физико-химическими реакциями, протекающими в породе. Также наряду с литификацией одновременно идет новообразование минералов.
В работах А. Г. Коссовской и В. Д. Шутова (16, 53) терминология вышеизложенных авторов подвержена критике: «А. Е. Ферсман, который считается автором термина „катагенез“, подразумевал взаимодействие пород с водами „чуждой“ геохимической характеристики, то есть процессы минералообразования, протекающие на границах разнородных геохимических сред, а не минеральные преобразования, связанные с преобразованием вещества под влиянием температур и давлений». Авторы считают целесообразным сохранение для всего периода постседиментационных преобразований осадочных пород до их перехода в метаморфические ввести термин «региональный эпигенез» .
Под термином «метагенез» А. Г. Коссовская, Н. В. Логвиненко и В. Д. Шутов (53) предложили выделить стадию промежуточную между эпигенезом и собственно региональным метаморфизмом, то есть последнюю стадию регионального эпигенеза, предшествующую появлению метаморфических образований.
По терминологии А. Г. Коссовской, В. Д. Шутова региональный эпигенез характеризует изменения отражающие определенные этапы процесса перехода осадочных пород в метаморфические, названные стадиями. Выделенные стадии или зоны характеризуются определенными структурно-минералогическими признаками, физико-механическими свойствами пород и степенью переработки углей. Каждая из последующих зон соответствует большему уровню погружений и интенсивности дислокаций. Зональность направленного изменения пород установлена рядом исследователей среди отложений различного возраста в разных тектонических областях.
В.В. Воронцов (54) отдает предпочтение термину «эпигенез», как наиболее распространенному. Одной из основных задач, по мнению В. В. Воронцова, в изучении эпигенетических изменений является установление последовательности возникновения и смены в стратиграфическом разрезе одних минеральных ассоциаций другими и изменении на ряду с этим физических свойств пород, то есть установление региональной (площадной) и вертикальной зональности эпигенеза пород. Автор выделяет пять крупных последовательных этапов эпигенеза: ранний катагенез, средний катагенез, поздний катагенез, ранний метагенез и поздний метагенез. При изучении эпигенетических изменений пород должны учитываться:
1) фациальная принадлежность пород, сильно влияющая на вещественный состав пород и на структурные особенности;
2) геотектонический режим, при котором образуются породы;
3) литологический и вещественный состав пород.
Большинство авторов при установлении связей между степенью литогенетических преобразований и физико-механическими свойствами не учитывают особенностей геотектонического развития регионов. Так, С.И.
Малинин установил связь между физико-механическими свойствами и степенью литогенеза пород без учета тектоники Донбасса. Тогда, как установлено В. Е. Ольховатенко, процессы постинверсионного периода вследствие геотектонического развития территории приводят к существенному изменению прочностных показателей пород.
Среди других необходимо отметить подход к изучению условий формирования свойств пород, основанный на фациальном анализе. Использование последнего, по мнению В. Е. Ольховатенко, возможно лишь для угленосных отложений, находящихся на низких стадиях литогенеза (стадии диагенеза и начального катагенеза) и вмещающих бурые угли.
На более высоких стадиях литогенеза происходят значительные вторичные изменения в породах, что приводит к сглаживанию первичных признаков (слоистости, гранулометрического состава, первичных структурно-текстурных особенностей). Следует отметить, что если к существенным катагенетическим преобразованиям добавляются изменения, обусловленные геотектоническим развитием, появление вторичной трещиноватости, кливажа, разрывных нарушений, то станет очевидным тот факт, что для сложнодислоцированных угленосных толщ, вмещающих угли от длиннопламенных до антрацитов, роль первичных факторов резко уменьшается.
Учитывая это, считаем, что для таких угольных бассейнов как Кузнецкий, Горловский и угольных месторождений типа Огоджинского и Апсайского наиболее приемлемым является использование системного подхода и стадиально-литогенетического анализа. Причем наряду с изучением статической системы важная роль в этом случае отводится ретроспективной, а именно, воссозданию этапов и стадий в формировании и преобразовании пород при литогенезе. В качестве научной основы используются при этом, теоретические обоснования В. Е. Ольховатенко, касающиеся установления стадий преобразования горных пород и их границ, выявления катагенетических изменений в породах и установления корреляционных связей между последними и физико-механическими свойствами.
При этом для выделения стадий литогенеза нами использовался марочный состав углей и степень их метаморфизма в соответствии с рекомендациями В. Е. Ольховатенко.
Важной задачей в решении поставленных проблем является выявление природы прочности горных пород.
В методическом и практическом отношении исключительно важное значение имеет разработка инженерно-геологической классификации и прогнозная оценка устойчивости бортов карьеров.
На основании выполненного анализа результатов теоретических и прикладных исследований по вопросам формирования физико-механических свойств горных пород при литогенезе установлены различные подходы к решению данной проблемы. Применительно к Огоджинскому угольному месторождению решение данной проблемы имеет свои особенности, а методологические аспекты ее освещаются ниже.
Глава 2. ОСОБЕННОСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ОГОДЖИНСКОГО УГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы, определяющие научную и практическую значимость работы:
1. Разработаны теоретические основы выявления закономерностей формирования физико-механических свойств горных пород угленосных отложений при литогенезе. На основе литогенетического анализа и показателей метаморфизма углей дано обоснование стадий литогенеза пород. Установлена роль процессов прогрессивного и регрессивного литогенеза в литогенетическом преобразовании горных пород и формировании их физико-механических свойств. Показано, что на ранний стадиях литогенеза решающее значение имеют процессы гравитационного уплотнения, а на поздних катагенетические преобразования горных пород. В регрессивную фазу литогенеза структурно-тектоническая перестройка угленосных провинций приводит к резкому снижению прочностных характеристик горных пород. Теоретические обоснования по данной проблеме использовались при выяснении закономерностей формирования физико-механических свойств горных пород Огоджинского месторождения и нашли свое полное подтверждение.
2. Установлены закономерности формирования физико-механических свойств горных пород при литогенезе, имеющие важное научное и практическое значение. Доказана ведущая роль контактового метаморфизма в катагенетическом преобразовании горных пород, приводящем к замещению полевых шпатов, обломков эффузивов карбонатами и появлению конформных, микростилолитовых, более прочных структурных связей. Усматривается четкая зависимость увеличения прочностных характеристик по мере возрастания степени литогенеза пород и метаморфизма углей.
3. Выполненные исследования позволили установить закономерности пространственной изменчивости и природу прочности горных пород. Показано, что физические свойства пород подчиняются нестационарному, а прочностные характеристики стационарному режиму изменчивости. Это является подтверждением вывода о том, что начиная со средней стадии катагенеза, и вплоть до поздней, решающее значение на упрочнение пород оказывают процессы катагенетических преобразований, приводящие к формированию вторичных структурных связей. Породы, с преобладающим конформным типом цементации и кварцевым регенерационным цементом, обладают наибольшей прочностью, достигающей 47 МПа, а с гидрослюдистым пленочным цементом наименьшей (33 МПа).
4. Выявленные закономерности формирования и пространственной изменчивости физико-механических свойств пород положены в основу при разработке инженерно-геологической классификации. В классификации по геолого-генетическим признакам, литолого-минеральному составу и физико-механическим свойствам выделено 5 стратиграфо-генетических комплексов, 4 группы, 8 подгрупп и 14 инженерно-геологических видов пород. Детальная характеристика выделенных категорий пород приведена в диссертационной работе.
5. Выполнен анализ и дано обоснование методов расчета устойчивости бортов карьеров применительно к инженерно-геологическим условиям Огоджинского месторождения. Расчетами установлено, что при условии предварительного осушения и коэффициенте запаса 1.3 генеральный.
Список таблиц и рисунков.
Рис. 1. Обзорная карта Огоджинского угольного месторождения.
Амурской области.30.
Рис. 2. Обзорная геологическая схема Огоджинского месторождения.32.
Рис. 3. Стратиграфическая колонка Огоджинского месторождения.34.
Фото 4. Гравелит кремниевый мелкозернистый.36.
Фото 5. Песчаник граувваковый среднезернистый.36.
Фото 6. Песчаник граувваковый крупнозернистый.42.
Фото 7. Диоритовый порфирит.42.
Фото 8. Гранит.46.
Фото 9. Андезит роговообманково-биотитовый.46.
