Закономерности формирования инженерно-геологических условий угольных месторождений Восточной Сибири и их влияние на устойчивость бортов карьеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.08, доктор геолого-минералогических наук Щербак, Геннадий Гаврилович

• Щербак, Геннадий Гаврилович
• доктор геолого-минералогических наук
• 2002

Оглавление диссертации доктор геолого-минералогических наук Щербак, Геннадий Гаврилович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИЗУЧЕНИЯ УГЛЕНОСНЫХ ФОРМАЦИЙ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.

1.1. Современное состояние проблемы изучения инженерно-геологических условий месторождений.

1.2. Особенности накопления угленосных формаций и их влияние на формирование инженерно-геологических условий угольных месторождений

1.3. Особенности влияния фациальных условий слоенакопления и геостатического давления на уплотнение горных пород и формирование их физико-механических свойств.

1.4. Теоретические подходы при изучении закономерностей формирования физико-механических свойств горных пород и природы их прочности

2. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ УГОЛЬНЫХ БАССЕЙНОВ И МЕСТОРОЖДЕНИЙ ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ.

2.1. Особенности геологического строения и формирования угленосных отложений Восточной Сибири.

2.1.1. Основные этапы образования Сибирской платформы с позиции тектоники литосферных плит.

2.1.2. Особенности формирования инженерно-геологических условий Тунгусского бассейна.

2.1.3. Особенности формирования инженерно-геологических условий и угленосных отложений Южно-Якутского бассейна.

2.1.4. Особенности формирования инженерно-геологических условий угольных месторождений Забайкалья.

2.1.5. Особенности формирования инженерно-геологических условий и угленосных отложений Иркутского бассейна.

2.1.6. Особенности формирования инженерно-геологических условий кайнозойских угольных месторождений Предбайкалья.

2.1.7. Структурно-генетическая классификация угольных бассейнов и месторождений Восточной Сибири.

2.2. Гидрогеологические особенности и обводненность угольных месторождений Восточной Сибири.

2.2.1. Основные закономерности условий распространения и формирования подземных вод Восточной Сибири.

2.2.2. Краткая характеристика гидрогеологических условий Жеронского месторождения Тунгусского бассейна.

2.2.3. Особенности гидрогеологических условий месторождений Иркутского угольного бассейна.

Ф 2.2.4. Подземные воды угольных месторождений Предбайкалья.

2.2.5. Краткая характеристика гидрогеологических условий ЮжноЯкутского угольного бассейна.

2.2.6. Гидрогеологические условия угольных месторождений Забайкалья

2.3. Особенности формирования геокриологических условий угольных месторождений Восточной Сибири, намечаемых к разработке открытым способом.

2.3.1. Особенности формирования и распространения многолетней мерзлоты на территории Восточной Сибири.

2.3.2. Краткая характеристика геокриологических условий угольных бассейнов и месторождений.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГРАВИТАЦИОННОГО УПЛОТНЕНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ЛИТОГЕНЕЗЕ.

3.1. Анализ методов оценки параметров слоенакопления и гравитационного уплотнения горных пород.

3.2. Основы теории гравитационного уплотнения и формирования физико-механических свойств горных пород при литогенезе.

3.3. Сравнительная оценка методов определения первичной мощности слоев и степени гравитационного уплотнения пород.

3.4. Влияние процессов гравитационного уплотнения на формирование минерального состава и плотности пород в процессе катагенетиче-ских преобразований.

4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

1§ ГОРНЫХ ПОРОД УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ.

4.1. Влияние фациальных условий и гравитационного уплотнения на формирование состава и физико-механических свойств угленосных отложений на торфяной и буроугольной стадиях литогенеза.

4.2. Особенности формирования физико-механических свойств горных пород каменноугольных месторождений в процессе катагенеза.

4.3. Особенности формирования физико-механических свойств горных пород Жеронского месторождения под влиянием контактово-термаль-ного метаморфизма. ф 4.4. Влияние процессов выветривания на изменение и формирование физико-механических свойств горных пород в зоне гипергенеза.

4.5. Особенности формирования физико-механических свойств многолет-немерзлых пород угольных месторождений.

4.6. Инженерно-геологическая классификация горных пород месторождений Восточной Сибири.

5. ТИПИЗАЦИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ.

5.1. Теоретические основы типизации угольных бассейнов и месторождений

Щ 5.2. Особенности типизации инженерно-геологических условий угольных месторождений Восточной Сибири.

5.3. Краткая характеристика выделенных типов инженерно-геологических условии угольных месторождении.

6. ПРОГНОЗ УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ КАРЬЕРОВ УГОЛЬНЫХ

МЕСТОРОЖДЕНИЙ ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ, НАМЕЧАЕМЫХ К РАЗРАБОТКЕ

ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ.

6.1. Современное состояние проблемы инженерно-геологического прогнозирования устойчивости бортов карьеров угольных месторождений

6.2. Обоснование расчетных схем для прогнозирования устойчивости бортов карьеров применительно к выделенным типам инженерно-геологических условий угольных месторождений Восточной Сибири.

6.3. Выбор нормативных и расчетных показателей свойств горных пород угольных месторождений. ф 6.4. Прогноз устойчивости бортов карьеров угольных месторождений Восточной Сибири.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Закономерности формирования инженерно-геологических условий угольных месторождений Восточной Сибири и их влияние на устойчивость бортов карьеров»

Актуальность работы. В Восточной Сибири выявлено огромное количество запасов каменных и бурых углей, сосредоточенных в пределах Забайкальской угленосной провинции, Тунгусского, Иркутского, Южно-Якутского и других бассейнов. В пределах данного региона угленосные отложения приурочены к различным геотектоническим структурам и отличаются по возрасту, характеру залегания, геокриологическим. условиям, обводненности, составу, состоянию и физико-механическим свойствам пород и углей. При этом степень изученности месторождений в геологическом и инженерно-геологическом отношении крайне не одинакова. Из 200 месторождений, выявленных по результатам поисковых работ, в инженерно-геологическом отношении по материалам предварительной и детальной разведки с 1980 по 1991 годы было изучено не более 10%, а по Тунгусскому .бассейну и Забайкалью не более 5%. Начиная с 1992 г и по 2000 г из-за отсутствия финансирования и реорганизации геологической службы работы в этом направлении были практически прекращены полностью.

Дальнейшее развитие топливно-энергетической базы Восточной Сибири в условиях современной рыночной экономики требует своевременного ввода в эксплуатацию новых угольных месторождений, пригодных к разработке открытым способом и сокращение затрат на их детальную разведку за счет использования информации по ранее изученным месторождениям-аналогам. В этой связи возникает необходимость в обобщении полученных ранее материалов и проведении дальнейших исследований для оценки инженерно-геологических условий, состава и физико-механических свойств горных пород, определяющих условия разработки, параметры устойчивости бортов карьеров и технологию ведения горных работ.

Особенностью угольных бассейнов и месторождений Восточной Сибири является различная степень литификации пород, разнообразный марочный состав углей, высокая степень заболоченности, наличие многолетней мерзлоты, а для месторождений Тунгусского бассейна - широкое развитие интрузий пластового, дайкового и покровного типов. Уникальность месторождений по спектру инженерно-геолос гических условий, отсутствие их аналогов в европейской части России и Западной Сибири дает основание для комплексного изучения закономерностей образования угленосных формаций, состава и свойств пород начиная от торфяной до каменноугольной стадии литогенеза. Учитывая важность данного направления исследований в инженерной геологии, можно отметить, что изучение закономерностей формирования инженерно-геологических условий, угольных месторождений Восточной Сибири с целью прогнозирования условий их разработки и устойчивости бортов карьеров является актуальной научной проблемой и важной народно-хозяйственной задачей.

Составной и важной частью общей проблемы формирования инженерно-геологических условии угольных месторождений является проблема формирования физико-механических свойств горных пород на различных этапах преобразования угленосных отложений.

Особенно важное значение в данном случае, как отмечает В.Т. Трофимов [219], имеет «задача изучения генезиса свойств грунтов, восстановление истории их формирования, которая является существенно более сложной по сравнению с задачей интерпретации генезиса отложений-образований».

В этой связи актуальное значение приобретает выявление закономерностей формирования свойств горных пород в процессе их гравитационного уплотнения в условиях фильтрационной и не фильтрационной консолидации массива с учетом влияния различных типов фильтрационных разрезов. Неравномерность процессов уплотнения в течение длительного геологического времени способствует образованию уплотненных, недоуплотненных и разуплотненных зон, в пределах которых формирование физико-механических свойств имеет свои генетические особенности и условия развития. С учетом изложенного, важное значение приобретает разработка основ теории гравитационного уплотнения горных пород и количественной оценки изменчивости параметров их свойств при литогенезе. При решении этих вопросов важное значение приобретает изучение закономерностей преобразования первичного состава пород в процессе катагенеза и изменение их природы прочности при литогенезе. Большое значение также имеет оценка первичной мощности слоев, степени их уплотнения, напряженно-деформированного состояния пород, максимальной глубины их погружения и разуплотнения в процессе гипергенеза.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является изучение закономерностей формирования инженерно-геологических условий угольных месторождений Восточной Сибири, состава и свойств горных пород, для последующей типизации условий разработки и прогнозирования устойчивости бортов карьеров.

В данной работе были поставлены следующие задачи: 1. Проанализировать современное состояние проблемы изучения закономерностей формирования угленосных отложений и инженерно-геологических условий угольных месторождений, состава и свойств горных пород. Оценить методологические подходы при решении этих вопросов.

2. Изучить особенности геологического строения и инженерно-геологических условий, обводненность и геокриологические условия угольных месторождений Восточной Сибири, намечаемых к разработке открытым способом.

3. Разработать основы теории гравитационного уплотнения горных пород при литогенезе с учетом механизма образования зон уплотненных и разуплотненных пород, показать их влияние на генетическую природу формирования состава и физико-механических свойств угленосных отложений.

4. Выявить закономерности формирования физико-механических свойств горных пород угольных месторождений Восточной Сибири находящихся на различных стадиях литогенеза с позиций теории гравитационного уплотнения.

5. Изучить влияние контактово-термального метаморфизма, выветривания и многолетней мерзлоты на формирование физико-механических свойств пород угленосных отложений.

6. Установить критерии и произвести типизацию инженерно-геологических условий угольных месторождений Восточной Сибири применительно к открытой разработке и дать количественный прогноз устойчивости бортов карьеров.

Исходные материалы и методы исследований. Решение перечисленных задач основывается на значительном объеме исследований выполненных автором по данному направлению с 1972 г в полевых и лабораторных условиях на месторождениях Кузнецкого, Тунгусского, Иркутского, Амуро-Зейского бассейнов и Предбай-калья. В работе использованы публикации и научные труды отечественных и зарубежных ученых, а также фондовые материалы ПГО «Иркутскгеология», ПГО «Чита-геология» и ТГАСУ, библиография которых приведена в соответствующем разделе.

Методы исследований месторождений, изученных под руководством и непосредственном участии автора, основывались на теоретических положениях и методиках, разработанных в инженерной геологии, геокриологии, грунтоведении и механики горных пород. Экспериментальные исследования выполнялись по специальным программам и методикам, подготовленным для решения поставленных задач. Исследования выполнялись на отечественном оборудовании и приборах, аттестованных метрологической службой университета. Обработка информации и расчеты устойчивости бортов карьеров выполнялись на ЭВМ и персональных компьютерах.

Достоверность полученных результатов, основных положений, выводов и рекомендаций гарантирована общепринятыми методиками и ГОСТами и достаточным для решения данных вопросов объемом кернового материала, полевых и лабораторных исследований.

В пределах Иркутского бассейна изучение состава и физико-механических свойств горных пород выполнено для Ишидейского и Вознесенского месторождений в процессе детальной разведки в период с 1980 по 1990 г.г. Опробовано 75 инженерно-геологических скважин, изучены состав и свойства пород по 1520 монолитам. Для Жеронского месторождения Тунгусского бассейна исследования выполнены в процессе детальной разведки с 1984 по 1987 г.г."Опробовано 24 скважины и изучен состав и свойства пород по 230 монолитам. Месторождения Предбайкалья изучены по результатам предварительной разведки Хандинского месторождения по 22 скважинам и 220 монолитам в период с 1989 по 1991 г. Месторождения Забайкалья (Ап-сатское, Уртуйское, Окино-Ключевское) были изучены сотрудниками кафедры в процессе предварительных разведок в период с 1984 по 1989 г.г. по результатам опробования 32 скважин и 357 монолитам. Петрографический состав пород изучен под микроскопом по 260 шлифам. Физико-механические свойства пород для разведанных месторождений определены по 132 скважинам и 2327 монолитам за период с 1980 по 1991 г.г. Экспериментальные исследования включали изучение физико-механических и прочностных свойств не выветрелых и выветрелых пород, а также их свойств при отрицательных температурах от -2 -5° С до -20° С. Моделирование процессов уплотнения пород осуществлялось на компрессионных приборах и гидравлических прессах. Все перечисленные выше исследования выполнены на кафедре инженерной геологии и геоэкологии Томского государственного архитектурно-строительного университета (ТГАСУ).

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Установлены основные закономерности формирования инженерно-геологических условий угольных бассейнов и месторождений Восточной Сибири, с учетом истории развития Сибирской платформы, геотектонических, геологических, гидрогеологических и геокриологических особенностей. Дана характеристика месторождений и на этой основе, впервые для данного региона разработана их структурно-генетическая классификация.

2. Впервые разработаны основы теории гравитационного уплотнения пород применительно к формированию их состава и физико-механических свойств в условиях фильтрационной и нефильтрационной консолидации. Установлен механизм образования уплотненных, недоуплотненных и разуплотненных зон в пределах различных типов разрезов.

3. Впервые предложены новые подходы и разработана методика количественной оценки параметров гравитационного уплотнения, оценки первичной мощности слоев, глубины погружения бассейнов седиментации и разуплотнения пород при гипергенезе. Осуществлена их проверка на экзаменационном материале.

4. Установлено, что на стадии диагенеза уплотнение происходит за счет порового пространства, на стадии катагенеза-метагенеза - за счет остаточного порового пространства и вторичного преобразования минерального состава пород. При этом процесс уплотнения сопровождается замещением первичных минералов, имеющих менее плотную кристаллическую решетку, на вторичные, обладающих более компактной решеткой и более высокой минеральной плотностью. В этих условиях величина объемного сжатия вторичных минералов увеличивается от 8-13% до 63%. При разуплотнении и гипергенезе происходит обратный процесс.

5. Впервые закономерности формирования физико-механических свойств угленосных отложений увязаны с условиями гравитационного уплотнения горных пород, начиная от торфяной до каменноугольной стадии литогенеза.

На примере угольных месторождений Восточной Сибири показано влияние зон уплотнения и разуплотнения на генетическую природу и изменчивость свойств пород в условиях длительного погружения бассейнов седиментации, контактово-термального метаморфизма, выветривания и многолетней мерзлоты.

6. Установлено, что для Жеронского месторождения Тунгусского бассейна максимальная глубина погружения пород не превышала 1358 м, что соответствует бу-роугольной (Бг) стадии литогенеза. Под воздействием контактово-термального метаморфизма марочный состав углей изменился от длиннопламенных до антрацитов, а состояние пород и их свойства остались близкими к буроугольной стадии и только вблизи интрузий, на расстоянии от 3 до 10-12 м, они претерпели изменения соответствующие каменноугольной стадии литогенеза.

7. Установлено, что при контактово-термальном метаморфизме и длительном прогреве угленосных отложений в значительной степени преобразуется марочный состав углей (от длиннопламенных до антрацитов). Состав и свойства пород изменяются только вблизи интрузий на расстоянии до 8-12 м, а затем приобретают фоновые значения.

8. Установлено изменение свойств пород при разуплотнении угленосных отложений. Показана избирательность и направленность процессов выветривания в условиях Восточной Сибири и их влияние на прочностные свойства в зависимости от степени разуплотнения, трещинноватости и различных типов заполнителей трещин. В соответствии с разработанной методикой показана возможность установления величины разуплотнения выветрелой толщи.

9. Впервые установлено влияние зон уплотнения и разуплотнения на формирование криогенных текстур и физико-механических свойств пород. Показано, что в зонах разуплотнения образуются высокольдистые породы с линзовидной и слоистой текстурой, а в зонах уплотнения - с массивной. В переходных зонах возникают шлировые текстуры.

10. Впервые для угольных месторождений Восточной Сибири разработана инженерно-геологическая классификация горных пород, выполнена типизация инженерно-геологических условий и для каждого типа условий дана прогнозная оценка устойчивости бортов карьеров.

Практическое значение работы заключается:

1. В использовании выявленных закономерностей формирования инженерно-геологических условий угольных месторождений Восточной Сибири, намечаемых к разработке открытым способом и предложенной структурно-генетической классификации для дальнейших исследований.

2. В возможности применения основ теории гравитационного уплотнения горных пород при решении вопросов литогенеза и формирования их свойств в условиях фильтрационной и нефильтрационной консолидации. Установлении механизма уплотнения горных пород и выделении различных типов фильтрационных разрезов.

3. В разработке теоретических подходов и методики количественной оценки параметров гравитационного уплотнения пород и их разуплотнения не зависимо от литологического состава и возраста пород.

4. В использовании механизма уплотнения при изучении преобразования минерального состава пород в условиях значительных геостатических давлений.

5. В выявлении целого ряда факторов, определяющих генетическую природу и направленность процессов формирования физико-механических свойств горных пород в условиях прогрессивного и регрессивного литогенеза, контактово-термального метаморфизма, гипергенеза и многолетней мерзлоты. В совершенствовании методики изучения состава и свойств горных пород при разведке месторождений полезных ископаемых.

6. В использовании типизации инженерно-геологических условий угольных бассейнов Восточной Сибири и количественной оценки устойчивости бортов намечаемых карьеров для других месторождений, выявленных по материалам геологопоисковых работ.

7. В использовании предлагаемых подходов для решения целого ряда задач при глубоком водопонижении, разработке нефтяных и газовых месторождений, подтоплении территории, проектировании фундаментов, расчетах гравитационного уплотнения космических тел и др.

Защищаемые положения. К числу основных защищаемых положений относятся следующие:

1. Выполненные исследования инженерно-геологических условий угольных бассейнов Восточной Сибири и разработанная на их основе структурно-генетическая классификация являются теоретической основой для изучения закономерностей формирования состава и физико-механических свойств горных пород в процессе литогенеза, проведения типизации месторождений и прогнозирования устойчивости бортов карьеров.

2. Разработанные основы теории гравитационного уплотнения горных пород позволяют рассматривать их как сложные саморегулирующиеся системы, развивающиеся в процессе прогрессивного и регрессивного литогенеза в условиях фильтрационной и нефильтрационной консолидации, которые определяют генетическую природу формирования физико-механических свойств угленосных отложений, позволяют установить степень и параметры уплотнения пород и решать другие задачи.

3. Выявленные закономерности формирования состава и физико-механических свойств горных пород угольных месторождений Восточной Сибири, находящихся на различных стадиях литогенеза, отражают основные положения теории гравитационного уплотнения и обусловлены проявлением геостатического давления, особенностями фильтрационных разрезов и наличием зон уплотненных, недоуп-лотненных и разуплотненных пород, в пределах которых физические и прочностные свойства отличаются между собой в 1,5-2,5 раза.

4. Выполненные исследования и проведенная типизация инженерно-геологических условий угольных бассейнов Восточной Сибири, полученные прогнозные оценки углов наклона бортов карьеров позволяют использовать данную информацию для других месторождений-аналогов, выявленных по результатам геологопоисковых работ.

Реализация результатов исследований выполнена на предприятиях ПГО «Иркутскгеология» (Ишидейское, Вознесенское, Жеронское и Хандинское метсорож-дения), ПГО «Читагеология» (Апсатское, Уртуйское, Окино-Ключевское месторождения). Материалы исследований в виде 8 научно-производственных отчетов переданы в геологические фонды. Они использованы для подсчета запасов углей указанных месторождений, составления ТЭО постоянных кондиций, прошли защиту в ГКЗ и были переданы в проектный институт «Востсибгипрошахт» для разработки проектов освоения месторождений и строительства углеразрезов.

Приведенные в диссертации материалы частично включены в лекционные курсы «Инженерная геология», «Основы грунтоведения» и «Инженерно-геологические изыскания», читаемые автором в Томском государственном архитектурно-строительном университете (ТГАСУ).

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научном семинаре «Методика инженерно-геологических исследований и картирования вечной мерзлоты» (Якутск, 1977); зональной научной конференции: «Проблемы механики грунтов, оснований и фундаментов в условиях глубокого сезонного промерзания» (Владивосток, 1983); Всесоюзном совещании «Геокриологический прогноз при строительном освоении территории» (Воркута-Москва, 1985); на Всесоюзной конференции «Инженерно-геологическое районирование месторождений полезных ископаемых (Москва, 1988); на Всесоюзной конференции «Прогноз и контроль геологической среды в районах освоения месторождений твердых горных ископаемых» (Москва-Ростов-на-Дону, 1989); научной конференции «Рациональное использование природных ресурсов Сибири» (Томск, 1989);научной конференции «Проблемы горного производства Восточной Сибири» (Чита-Новосибирск, 1990); Всероссийской конференции «Гидрогеология, инженерная геология, геоэкология месторождений полезных ископаемых» (Екатеринбург, 1994); научно-методической конференции, посвященной 85-летию В.Д. Ломтадзе «Проблемы инженерной геологии» (С-Петербург, 1997); научной сессии, посвященной памяти Г.А. Сулакшиной (Томск, 1988). О публикованы в материалах годичной сессии Научного совета РАН, «Сергиевские чтения», вып. 3 (Москва, 2001) международной научно-технической конференции «Горно-геологическое образование в Сибири. 100 лет на службе науки и производства (Томск, 2001 г.).

Публикации. Основные результаты исследований по этому направлению освещены в 47 статьях и тезисах докладов, а также в коллективной монографии «Инженерная геология угольных месторождений Сибири и Дальнего Востока», т. 1, 2, в 14 научно-технических отчетах, переданных геологическим организациям Западной и Восточной Сибири.

В первой главе рассмотрены теоретические аспекты и современное состояние проблемы изучения инженерно-геологических условий угольных месторождений. Рассмотрены особенности накопления угленосных отложений, влияние фациальных условий и геостатического давления на уплотнение горных пород и формирование их физико-механических свойств в процессе литогенеза. Показаны методологические подходы при решении этих вопросов.

Во второй главе отражены особенности формирования инженерно-геологических, гидрогеологических и геокриологических условий угольных месторождений Восточной Сибири. Рассмотрено геологическое строение, обводненность и геокриологические условия месторождений Тунгусского, Иркутского, Южно-Якутского бассейнов, а также угленосных провинций Предбайкалья и Забайкалья. Составлена геолого-генетическая классификация угольных месторождений Восточной Сибири.

В третьей главе рассмотрены теоретические подходы при решении вопросов уплотнения пород, оценки их первичной мощности и напряженно-деформированного состояния. Сформулированы основные принципы теории гравитационного уплотнения горных пород при литогенезе. Показан механизм образования уплотненных, недоуплотненных и разуплотненных зон в условиях фильтрационной и нефильтрационной консолидации пород и его влияние на генетическую природу формирования их физико-механических свойств. Предложена методика количественной оценки первичной мощности слоев и параметров гравитационного уплотнения пород при литогенезе. Осуществлена проверка предложенных уравнений на экзаменационном материале и доказана высокая точность получаемых результатов. Рассмотрены вопросы влияния гравитационного уплотнения на формирование состава пород за счет вторичного минералообразования на стадии катагенеза-метагенеза. Показано, что этот процесс сопровождается перестройкой кристаллических решеток первичных минералов, увеличением их объемного сжатия и минеральной плотности.

В четвертой главе на основании предлагаемого подхода рассматриваются вопросы формирования физико-механических свойств горных пород угольных месторождений Восточной Сибири, намечаемых к разработке открытым способом. В пределах вертикальных разрезов буроугольных месторождений выделены зоны уплотненных и недоуплотненных горных пород и показано их влияние на формирование физико-механических свойств, в зависимости от условий гравитационного уплотнения. Для каменноугольных месторождений Иркутского бассейна и Забайкалья установлены унаследованные зоны уплотненных и разуплотненных пород. В пределах этих зон горные породы отличаются по характеру цементации обломков, типу цементов, физико-механических свойствам и вторичным преобразованиям минерального состава. Показано влияние процессов контактово-термального метаморфизма, выветривания и многолетней мерзлоты на формирование физико-механических свойств горных пород. Разработка инженерно-геологическая классификация горных пород угольных месторождений Восточной Сибири, намечаемых к открытой разработке. Выполненные исследования подтверждает основные положения теории гравитационного уплотнения при формировании состава и свойств горных пород на различных стадиях литогенеза.

В пятой главе рассмотрены теоретические вопросы типизации инженерно-геологических условий применительно к месторождениям Восточной Сибири, Выполнена типизация изученных месторождений с учетом геотектонических условий, состояния, состава и физико-механических свойств пород. Дана краткая характеристика выделенных типов месторождений.

В шестой главе проанализировано современное состояние проблемы прогнозирования инженерно-геологических условий разработки угольных месторождений, рассмотрены методы прогнозирования и способы проверки прогнозных решений. С учетом выделенных типов месторождений выбраны расчетные схемы для расчетов устойчивости бортов карьеров. На основании выполненных расчетов дана прогнозная оценка устойчивости бортов карьеров изученных месторождений Восточной Сибири. Показана возможность интерполяции полученных прогнозных оценок на другие месторождения, выявленные по результатам геолого-поисковых работ.

Диссертационная работы выполнена на кафедре инженерной геологии и геоэкологии Томского государственного архитектурно-строительного университета.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность и признательность своим учителям: д.г-м.н., профессору, академику Г.М. Рогову - ректору ТГАСУ за постоянную поддержку при подготовке диссертации; д.г-м.н., профессору, академику МАН ВШ В.Е. Ольховатенко - заведующему кафедрой инженерной геологии и геоэкологии ТГАСУ за постоянную поддержку, ценные советы и замечания при выполнении исследований и диссертационной работы, а также своим коллегам - к.г-м.н., доцентам A.A. Краевскому, Г.П. Сенотрусову, Е.М. Мухиной и O.A. Бычкову за помощь и участие в проведении совместных полевых и экспериментальных исследований, заведующим лабораторий К.Д. Бычковой и И.Ф. Антонову, ст. научному сотруднику В.А. Трофимовой, учебным мастерам А.П. Козыревой и Т.Г. Сырчиковой, а также всем остальным сотрудникам кафедры.

Заключение диссертации по теме «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение», Щербак, Геннадий Гаврилович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования формирования инженерно-геологических условий угольных месторождений Восточной Сибири представляют собой завершенную самостоятельную научную работу, которая направлена на решение целого ряда проблем в области инженерной геологии. Основные результаты выполненных исследований заключаются в следующем.

1. В обобщенном виде впервые представлены результаты исследований инженерно-геологических условий угольных месторождений Восточной Сибири, намечаемых к разработке открытым способом. Они в значительной степени расширяют представления в этой области и способствуют более целенаправленному их изучению в дальнейшем.

2. Рассмотрены теоретические вопросы формирования состава и свойств горных пород при литогенезе. Впервые выделены различные типы фильтрационных разрезов, оказывающих непосредственное влияние на уплотнение горных пород и образование уплотненных, недоуплотненных и разуплотненных зон. Установлен механизм образования этих зон в зависимости от коэффициентов фильтрационной проницаемости и фильтрационного сопротивления пород. Разработаны основы теории гравитационного уплотнения пород в условиях фильтрационной и нефильтрационной консолидации. Предложен новый метод оценки первичных мощностей отдельных слоев и всей толщи в целом. Разработана методика количественной оценки параметров уплотнения горных пород при литогенезе. Предложенная методика позволяет давать количественную оценку параметров уплотнения и разуплотнения пород в условиях прогрессивного и регрессивного литогенеза, определять глубину погружения пластов в бассейнах седиментации и решать другие задачи. Выполненная проверка теоретических положений предлагаемых уравнений по определению первичной мощности слоев и глубины погружения пластов с привлечением экзаменационных материалов других авторов показала высокую точность полученных результатов.

3. Установлено, что горные породы в процессе гравитационного уплотнения ведут себя как саморегулирующиеся системы. На стадии диагенеза и начального катагенеза от торфяной до буроугольной стадии (БЗ) стадий метаморфизма углей, уплотнение происходит за счет уменьшения порового пространства, переупаковки частиц и их приспособления к возрастающим вертикальным давпениям при погружении бассейнов седиментации. На стадии среднего (ГЖ-К) и позднего катагенеза (Т-А) уплотнение пород осуществляется за счет закрытия остаточного порового пространства и вторичных преобразований минералов и обломков пород. При этом первичные минералы сложного химического состава с более низкой минеральной плотностью и более «рыхлой» кристаллической решеткой преобразуются во вторичные - обладающие более высокой плотностью и более плотной кристаллической решеткой. В этом случае происходит удаление одних ионов и присоединение других необходимых для построения новых кристаллических решеток. Для других минералов уплотнение достигается за счет изменения расстояний между ионами внутри кристаллических решеток. Выполненные исследования показали, что в зависимости от величины гравитационного давления коэффициенты объемного сжатия для вторичных минералов увеличиваются до 8-13%. При сверхвысоких давлениях и температурах в мантии Земли происходит дальнейшее преобразование горных пород и минералов в направлении более тесной упаковки ионов в кристаллической решетке и увеличение их минеральной плотности (стешовит, алмаз и др.), что в частности подтверждено экспериментами физиков (В.Н. Жаров, 1983). Учитывая направленность процессов гравитационного уплотнения вещества Земли можно предположить, что данный механизм проявляется в космическом масштабе при уплотнении других космических тел: звезд и «черных дыр», у которых плотность вещества достигает огромных значений.

4. Разработанные основы теории гравитационного уплотнения и предлагаемые подходы позволяют решать и другие важные задачи, выходящие за рамки настоящей работы. В частности, определять осадки поверхности земли при глубоком водопонижении, разработке нефтяных и газовых месторождений, оценить величину подъема дна карьеров, глубоких котлованов, подъем поверхности при подтоплении территорий, расчетах оснований и фундаментов, определить радиусы газопылевых облаков, из которых образовалась Земля и планеты Солнечной системы, величину гравитационного уплотнения космических тел.

5. Выполненные исследования закономерностей формирования физико-механических свойств горных пород угольных месторождений Восточной Сибири, находящихся на различных стадиях литогенеза и гравитационного уплотнения, позволили установить механизм и генетическую природу их преобразования в условиях фильтрационной и нефильтрационной консолидации. Установлено, что сформировавшиеся на стадии диагенеза зоны уплотненных и недоуплот-ненных пород прослеживаются в разрезах угленосных толщ на более поздних этапах их развития. Для этих зон отмечается изменение параметров свойств в 1,5-2,5 раза, а кривые изменчивости свойств пород по глубине для выделенных зон имеют правую и левую асимметрию относительно их средних значений. В недоуплотненных зонах у песчаников и алевролитов отмечается ба-зальный и базально-поровый тип цементации, а у уплотненных - поровый, контактово-поровый и контактовый. Использование методики количественной оценки параметров гравитационного уплотнения позволило оценить степень их объемного сжатия за весь период геологического времени и установить глубину погружения слоев в пределах изученных угольных бассейнов месторождений.

6. На примере Жеронского месторождения Тунгусского бассейна установлено влияние контактово-термального метаморфизма на формирование физико-механических свойств пород. Показано, что в условиях глубокого и длительного прогрева угленосных отложений в значительной степени изменился марочный состав углей - от длиннопламенных до антрацитов. Физико-механические свойства пород возрастают вблизи интрузий (8-12 м), а затем приобретают фоновые значения. На основании оценки степени гравитационного уплотнения пород установлено, что горные породы Жеронского месторождения до проявления контактово-термального метаморфизма находились на буро-угольной стадии литогенеза, а глубина их погружения не превышала 1358 м.

7. Выветривание горных пород угольных месторождений Восточной Сибири обусловлено особенностями климатических условий, а мощность зон выветривания - скоростью денудационных процессов. Для разных месторождений она колеблется от нескольких метров до 50-60 м. Формирование физико-механических свойств в зонах выветривания протекает в соответствии со стадиями конкретной породы начиная от ее разуплотнения до глубокого разложения и преобразования в элювиальные глины, пески или сажу. Для выветрелой толщи также отмечается связь свойств с остаточными зонами уплотненных и недоуплотненных пород. Коэффициент относительного разуплотнения для различных типов пород и зон выветривания колеблется от 5 до 30%. Установлена величина разуплотнения горных пород в зоне выветривания для 20 м слоистой толщи, которая составила 2,37 м.

8. Изучены закономерности формирования криогенных текстур и физико-механических свойств горных пород буроугольных месторождений Восточной Сибири (Хандинское, Тыгдинское) у которых мощность многолетней мерзлоты изменяется от 30 до 90 м, а температура до -3,0° С. В лабораторных условиях изучение свойств пород проводилось при более низких температурах от -5о С до -20о С. Установлено, что криогенные текстуры и льдистость пород обусловлены запасами влаги в пластах, особенностями фильтрационных разрезов, температурой и скоростью промерзания. В зонах разуплотнения в условиях закрытых фильтрационных разрезов формируются высоко-льдистые породы со слоистой, линзовидной и сетчатой текстурами, в зонах уплотнения и иссушения - с массивной, в переходных зонах - с тонкослоистой и шлировой, в зонах промерзания-оттаивания при температурах от Оо до -0,2 -0,5о С - с аквакриогенной. Физико-механические свойства пород тесным образом связаны с особенностями температурного режима многолетней мерзлоты, их составом и льдистостью. При оттаивании - с суммарной влажностью. При разработке мерзлых пород и деградации мерзлоты будет отмечаться резкое снижение их прочностных свойств и устойчивости бортов карьеров.

9. Разработанная инженерно-геологическая классификация горных пород угольных месторождений Восточной Сибири отражают основные закономерности формирования их физико-механических свойств. По своей сути она является диагностической и позволяет использовать ее для оценки инженерно-геологических условий других месторождений аналогов, выявленных в пределах изученных бассейнов по материалам геолого-поисковых работ.

10. Разработанные теоретические подходы изучения инженерно-геологических условий, состава и физико-механических свойств горных пород способствуют дальнейшему развитию методологии инженерно-геологических исследований при разведке месторождений полезных ископаемых.

Анализ механизма и генетических особенностей проявления гравитационного уплотнения пород при формировании физико-механических свойств угольных месторождений Восточной Сибири позволяет сделать вывод об универсальности разработанных теоретических подходов и методов их исследования. В целом, результаты выполненных исследований являются основанием для выделения в инженерной геологии нового научного направления - учения о гравитационном уплотнении горных пород и формировании их физико-механических свойств при литогенезе.

11. Выполненная типизация инженерно-геологических условий угольных бассейнов и месторождений Восточной Сибири отражает основные закономерности формирования и распределения отложений в пределах данного региона. На основании разработанных критериев выделено 5 групп угольных бассейнов, внутри которых месторождения подразделены на 10 подгрупп и типов по признакам внутренней однородности геотектонических условий, характера залегания и состава пород, их возраста, марочного состава углей и степени гравитационного уплотнения.

Предложенная типизация месторождений позволяет использовать ее для диагностики и характеристики инженерно-геологических условий других месторождений, выявленных в процессе геолого-поисковых работ и перспективных к разработке открытым способом.

12. Полученные прогнозные оценки углов наклона бортов отражают особенности инженерно-геологических условий месторождений и обеспечивают их устойчивость для глубин разработки соответствующих погашению запасов (150-250 м). Наиболее низкие значения углов наклона бортов характерны для буро-угольных месторождений отличающихся слабой литификацией и низкой степенью гравитационного уплотнения пород. Среди каменноугольных месторождений более высокие значения углов наклона бортов установлены для тех, у которых породы претерпели наибольшее гравитационное уплотнение. Месторождения, у которых породы отличаются средней степенью гравитационного уплотнения и вмещают угли марок Д и Г занимают промежуточной положение. В частности, для глубины разработки 100 м и коэффициенте запаса 1,3 прогнозные значения углов наклона бортов для Хандинского (Б^ и Уртуйского (Б2) месторождений составляют соответственно по 26° и 27,5°, для Жеронского -27,0°, Ишидейского (Д) - 37°, Вознесенского (Г) - 37,5°, Апсатского (К-ОС) -39°, Нерюнгринского (К-ОС) - 40°. Полученные прогнозные значения углов наклона бортов карьеров выделенных типов месторождений позволяют использовать их для других месторождений - аналогов, угольных бассейнов Восточной Сибири.

Список литературы диссертационного исследования доктор геолого-минералогических наук Щербак, Геннадий Гаврилович, 2002 год

1. Авчан Г.М., Озерская М.Л. Закономерность уплотнения осадочных пород с глубиной // Изв. АН СССР, сер. геол., 1968, №2. С. 137-142.

2. Барон Л.И. Горнотехническое породоведение. М.: Наука. 1977. 323 с.

3. Басков Е.А. Восточно-Сибирская платформа // В кн.: Гидрогеология СССР. Сводный том. Вып. 1. Основные закономерности распространения подземных вод на территории СССР. М.: Недра, 1989. С. 186-222.

4. Басков Е.А. Основные черты гидрогеохимии осадочных бассейнов на разных стадиях литогенеза. // В кн.: Проблемы изучения химического состава подземных вод. Шестые Толстихинские чтения (11-12 ноября, 1997 г). С. Петербург, 1997. С. 10-13.

5. Батугина И.М., Петухов И.М. Геодинамическое районирование месторождений при проектировании и эксплуатации рудников. М.: Недра, 1988. 165 с.

6. Белоусов В.В. Основные вопросы геотектоники. Изд. 2. М., Госгеолтехиздат, 1962,608 с.

7. Бондарик Г.К. Классификация инженерно-геологических прогнозов и перспектива развития методов прогнозирования. М.: ВСЕГИНГЕО, вып. 57, 1972. С. 518.

8. Бондарик Г.К. Общая теория инженерной (физической) геологии. М.: Недра, 1981.-255 с.

9. Бондарик Г.К. Основы теории изменчивости инженерно-геологических свойств горных пород. М.: Недра, 1971.-271 с.

10. Бондарик Г.К. Принципы прогноза пространственной изменчивости инженерно-геологических свойств глинистых пород. // В кн.: Прогноз и полевые методы изучения инженерно-геологических свойств грунтов. Томск, Изд-во Томск, ун-та, 1968. С. 6-7.

11. Бондарик Г.К., Царева A.M., Пономарев В.В. Текстура и деформация глинистых пород. М.: Недра. 1975. 162 с.

12. Ботвинкина Л.Н. Ритмы и циклы в осадочных горных породах. // Серия «Наука о Земле», №3. М.: Знание. 1977. 47 с.14,15,16,17,18,19