Статья опубликована в №52 (декабрь) 2017
Разделы: Геология
Размещена 24.11.2017. Последняя правка: 22.01.2018.
Просмотров - 2171

Уточнение строения участка Шестаки Бачатского угольного месторождения в ходе эксплуатации

Титов Дмитрий Юрьевич

магистр геологии

Новосибирский Государственный университет

геология и геохимия горючих полезных ископаемых

УДК 552.574, 553.94

Введение

Работая в Кузбасском угольном бассейне, на Бачатском каменноугольном месторождении мне пришлось столкнуться с ситуацией, когда угольные пласты, вскрываемые в ходе эксплуатационной разведки и добычи по своим элементам залегания, мощности и качеству зачастую не соответствовали отчетным данным, причем расхождения порой были кардинальные. Это приводило к тому, что необходимые объемы добычи предприятию приходилось покрывать за счет других пластов, нарушая годовые планы развития работ и технологию отработки, что приводило в свою очередь к штрафным санкциям со стороны ГГТН РФ, регулярным корректировкам ПРГР, срывам поставок угля определенных марок и другим негативным последствиям.

Стоит отметить, что к моменту постановки ГРР на участке Шестаковский (1977-78 гг.) имелись данные по геологическому строению участков ОГР соседнего Бачатского угольного разреза, на котором пласты имеют большую мощность, выдержаны и залегают моноклинально под крутыми углами. Видимо, это привело к тому, что авторы (Беловская ГРП) были введены в заблуждение легкостью строения относительно недалеко расположенных участков и экстраполировали данные.

Не были учтены такие, казалось бы, лежащие на поверхности, факторы:

- наличие ранее выявленных складчатых структур в строении соседнего участка ОГР

- обилие в разрезе нарушенных пород

- близость участка к Салаирской зоне складчатости

- наличие в разрезе зон горелых углей (как эндогенного происхождения, так и дальнейшие экзогенные очаги горения, возникшие из-за не до конца верно рассчитанной склонности углей к самовозгоранию)
В результате это привело к местами неверной модели строения пластов каменного угля, что принесло немало проблем геологической службе разреза в дальнейшем.

Актуальность работы обусловлена тем, что схожие ситуации с запасами полезного ископаемого возникают почти на всех месторождениях, и геологическим службам предприятий приходится по ходу эксплоразведки постоянно обновлять и корректировать данные, опираясь на данные геологоразведки лишь отчасти либо в формальных целях.

Цель работы – уточнить строение месторождения на основе данных эксплоразведки, произвести обмен опытом и критический анализ его модели.

Задачи: уточнение модели строения участка, сравнение отчетной разведочной и фактической информации по стратиграфии, тектонике и качеству углей.

Научная новизна исследования заключается в том, что предприятия за редким исключением умалчивают о проблемах со сходимостью запасов при эксплуатации месторождения, так как гос. органы могут обязать производить доразведку, что повлечет за собой новый подсчет запасов, согласование ТЭО кондиций, отчета по запасам и нового проекта на отработку – ни денег, ни времени на это может не быть, так как эта процедура может занять несколько лет; как правило, такие проблемы не освещаются, а проблема решается опережающей эксплоразведкой и пересчетом запасов внутри предприятия силами геологического отдела.

Общие сведения о районе исследования

ОАО Разрез «Шестаки» расположено на территории Гурьевского района, вблизи автодороги г. Белово-Гурьевск (рис. 1). Предприятие занимается добычей углей марок СС, КО, КСН, ГЖО. Поле разреза «Шестаки» расположено на Бачатском каменноугольном месторождении, которое представляет собой обособленную от основной площади Кузбасса полосу угленосных отложений в пределах складчатого пояса предгорий Салаирского кряжа [4].

Рис. 1. Обзорная карта района исследования

Результаты работы

Своей целью я, прежде всего, ставил уточнение структурно-тектонического строения месторождения, элементы залегания пластов, их строение, а также попытаться восстановить историю тектонического развития на данном участке.

Этапами в достижении цели были:

- геологические маршруты внутри контуров карьера и за его пределами, позволяющие уточнить элементы залегания пород, строение участка и пр.

- составление геологических разрезов, зарисовок

- обобщение данных и составление обзорной геологической карты

- макроскопическое описание пород в уступах и керне скважин

- анализ результатов опробования горных пород и углей

- анализ полученных материалов, восстановление истории развития участка

Литологическая характеристика

В ходе геологических маршрутов весь разрез от восточного до западного борта был полностью литологически охарактеризован (рис. 2), общие черты строения описаны ниже.

Рис. 2. Стратиграфическая колонка

Наиболее древними породами являются известняки, вскрытые вдоль всего западного борта. Согласно исследованиям, проведенных на участке Шестаки-2, независимым палеонтологом Сивчиковым В.Е. (СНИИГиМС, 2011 г.) они датируются карбоном, но в отчете отмечается, что возраст доходит до девонского.

Породы представлены известняками серыми мелкокристаллическими, глинистыми известняками, мергелями, известняками темно-серыми слабобитуминозными. Органические остатки редки – единичные трубки с радиально-лучистым внутренним строением, строматолитовые текстуры, следы биотурбации.

Массив рассечен сетью трещин отдельности. Крупная слоистость встречена лишь на некоторых участках, в основном породы массивные. В связи с тем, что известняки находятся в относительно узкой тектонической зоне за нарушением Б-Б, то отмечается их сильное смятие, резкая изменчивость элементов залегания; простирание в целом северо-западное, угол падения изменчив – от 10-15 до 90⁰.

В ходе разноски рабочих бортов в с-в направлении был вскрыт участок, на котором породы были представлены глинистыми алевролитами, алевролитами рыжевато-серыми, местами с отпечатками растений, хотя по отчетным данным там были отрисованы породы девон-карбонового возраста (известняки). На других участках восточного борта также были встречены лишь терригенные отложения ишановской свиты. Видимо, граница девон-карбоновых отложений проходит восточнее, намного ближе к участку ОГР №1.

В целом известняки характеризуются коэффициентом крепости f_d 10-12 (Западно-Сибирский испытательный центр, 2012 г.), категория по трудности экскавации IV, объемный вес 2,56 т/м³. В связи с наличием в составе глинистой составляющей получили лишь ограниченное применение для отсыпки технологических автодорог, как бутовый камень и пр., как полезное ископаемое (на продажу) не добываются.

На западе участка через зону нарушенных пород мощностью 10-30 м карбоновые известняки контактируют с раннепермскими отложениями кемеровской и ишановской свит.

Ишановская свита представлена лишь своей верхней частью (рис. 3), в своем разрезе содержит пласты Безымянный-I, II и тонкие прослои и линзы углистых аргиллитов и углей. Общая мощность вскрытого разреза свиты составляет по моим оценкам 50-70 м. Породы представлены алевролитами, песчаниками от м/з до с/з серыми, рыжевато-серыми, углями, горелыми породами. Слоистость крупная, развита сеть трещин крупноблочной отдельности, встречены зоны нарушенных, перемятых пород. Простирание в целом с-в, падение изменчиво – от западного до восточного, наблюдаются мелкие складки ближе к восточному борту участка, углы падения также меняются от 20-30 до 90⁰. Это обусловлено тем, что блок, в котором представлены породы свиты находится между двумя крупными зонами нарушений Y-Y, E-E сбросового характера.

Пл. Безымянный-I простого однопачечного строения, имеет мощность 0,3-1,5 м и невыдержан по простиранию, его можно охарактеризовать скорее как систему линз угля на определенном стратиграфическом уровне. Уголь пласта марок СС, КСН (здесь и далее – данные ОТК разреза Шестаки).

Рис 3. Пласт Безымянный-I, пологое залегание

Пл. Безымянный-II имеет мощность 1,5-7,0 м, в своем составе породних прослоек не имеет, является выдержанным пластом, однако разрывные нарушения делят его на отдельные блоки. Уголь пласта марки СС, имеет наивысшую теплоту сгорания среди пластов энергетических марок.

Все угольные пласты марки СС имеют высокую склонность к самовозгоранию, причем инкубационный период составляет всего 40-50 суток (заключение ВостНИИГД, 2011 г.), так что часть разреза представлена горелыми породами. В результате нагревания до 1000⁰С и выше при горении углей породы испытывают сильный контактовый метаморфизм, что изменяет их состав и внутреннюю структуру. Угольные пласты коксующихся марок (КСН, КО, ГЖО) также потенциально склонны к самовозгоранию, однако на участке ОГР №2 таких проявлений не обнаружено.

Кемеровская свита залегает выше ишановской, границей между ними служит почва пласта Мощного. В своем составе свита содержит угольные пласты промышленной мощности Мощный, Спутник, Прокопьевский-I, Прокопьевский-II, Лутугинский, Горелый нижний, Горелый верхний, Характерный I, Характерный II н.п., Характерный II в.п., Внутренние I-IV. Вскрытая мощность свиты превышает 200 м.

Породы свиты представлены песчаниками, алевролитами, углистыми аргиллитами, гравелитами, брекчиями мелкообломочными. Коэффициент крепости пород f_d составляет 5,0-10,0; угля 3,0-4,0 (ЗСИЦ, 2012 г.). Категория пород по трудности экскавации III-IV. Объемный вес 2,42-2,56 т/м³.

Цвет пород преимущественно серый до темно-серого, местами рыжевато-серый. В основании мощных угольных пластов (Мощный, Горелый верхний) встречаются песчаники, алевропесчаники с углефицированными обломками растений, отпечатками листьев папоротников и пр. Вблизи угольных пластов и в их составе встречаются сульфиды в виде мелких, едва различимых глазом, кристаллов пирита.

В целом наблюдается уменьшение размерности обломочных частиц вверх по разрезу, и если восточный борт представлен преимущественно песчаниками, алевропесчаниками (стратиграфически от пл. Мощного до пл. Прокопьевского-II), то западный представлен алевролитами, хотя отдельные слои песчаников встречаются (от кровли пл. Лутугинского до пл. Внутреннего-IV).

Пл. Мощный наиболее выдержанный и имеет мощность 10,0-20,0 м. Породних прослоев в составе пласта не встречается, за редким исключением когда наблюдаются стяжения, мелкие линзы аргиллита темно-серого до черного, углистого, визуально лишь по блеску отличающегося от угля. Зольность пласта самая низкая на участке и составляет 6,0-12,0%. За счет высоких мощности и теплоты сгорания склонен к самовозгоранию, ширина зоны горелых пород в местах эндогенных пожаров достигает 10-15 м; термические изменения в горной породе происходят вплоть до полной потери изначальной структуры, спекания частиц песчаника.

Рис 4. Пласт Мощный, центральная часть участка ОГР №2

Пласты промышленной мощности от Прокопьевских до Горелых по своей внутренней структуре соответствуют отчетным данным, относительно выдержаны, имеют в своем составе от 1 до 4 породних прослоев.

Из интересных особенностей строения стоит отметить, что пласты Прокопьевский-I, II  на отдельных участках сближаются вплоть до полного слияния в один пласт марки СС мощностью порядка 6,0 м.

Пл. Характерный II состоит из двух пачек (н.п.+в.п.), разделенных перемычкой из песчаника. Пласт отнесен к технологической группе ГЖО, однако по факту марки КО. В южной части участка выдержан, толщина угольных пачек составляет 0,9-1,5 м; в центральной части участка ОГР №2 смят в серию складок, имеет разломно-блоковое строение, хотя свое внутреннее строение в целом сохраняет.

Рис 5. Пласт Характерный II, антиклинальная складка

Пл. Внутренний-III не является выдержанным, представлен лишь на некоторых участках, в большинстве случаев марки СС; его мощность меняется в широких пределах от 0,5 до 6,0-7,0 м.

Рис 6. Пласт Внутренний-III, флексура вблизи нарушения Б-Б

В западной части участка также был вскрыт пласт Внутренний-IV марки СС, мощностью 1,0-6,0 м. Уголь пласта частично сажистый, мелкий, нарушенный, что обусловлено смятием пласта в зоне нарушения Б-Б.

Верхняя часть вскрытого разреза кемеровской свиты представлена алевролитами рыжевато-серыми, частично глинистыми.

Все коренные породы несогласно перекрыты четвертичными отложениями, представленными глинами, суглинками, реже гравийно-галечными разностями. Мощность их закономерно увеличивается с юга на север участка от первых метров до 10-15 м. Категория по трудности экскавации II.

Рис 7. Несогласное залегание четветричных суглинков на раннепермских алевролитах

Структурная характеристика

В сводном геологическом отчете структура месторождения представлена как моноклинальная, с крутыми (60-80⁰) углами залегания пластов [4]. В качестве объяснения причин, по которым происходит слабая увязка данных на бортах карьера, указываются крупные разрывные нарушения, которые смещают пласты, создают блоковую модель строения.

Так, на карте выходов пластов угля под наносы (рис. 8) по сути в бортовых частях имеется сеть линз угля, увязка которых производится только через наличие густой сети дизъюнктивных нарушений.

Рис 8. Карта выходов пластов угля под наносы

Однако, если посмотреть на увязанные геологические разрезы, то можно заметить, что некоторые из отрисованных угольных пластов не имеют ни одного подсечения разведочной скважиной; пласты, которые были подсечены в верхней части разреза, рисуются вплоть до глубин 200-300 м; более того, по факту пл. Безымянный-I, II, пл. Характерный II (н.п.+в.п.), пл. Внутренний-III, IV зачастую имеют азимут падения в обратную сторону, но в модели не предусмотрено таких вариантов и вообще каких-либо пликативных структур.

Как мы видим на разрезе по 6-й разведочной линии (рис. 9, по отчетным данным), предполагается моноклинальное строение участка, а увязка «проблемных» мест со смещением слоев производится с помощью рисовки разрывных нарушений.

Однако по факту это не является наиболее достоверной моделью строения. Являясь краевой частью угольного месторождения, участок Шестаковский в истории своего развития существенно отличается от соседних участков Бачатского разреза. Пониженные мощности, отличия в марочном составе по некоторым из пластов были выявлены уже на ранних стадиях разведочных работ, и эти признаки в ходе эксплуатации дополнились такими фактами как:

- невыдержанность по простиранию, линзовидное строение наименее мощных пластов

- объединение сближенных пластов в одну угольную пачку на некоторых участках

- замещение угля на углистый аргиллит, а затем и на алевролиты темно-серые в краевых частях разреза

- общее снижение мощности пластов в северном направлении

Все это позволяет предположить, что участок Шестаковский в раннепермское время был краевой частью бассейна, в котором происходило накопление каменных углей. А в дальнейшем, в связи со своим близким расположением к Салаирской зоне складчатости испытал деформации пликативного и дизъюнктивного характера в большем объеме, чем соседние участки.

Рис. 9. Разрез по 6-й разведочной линии

Эндогенные пожары

Одним из факторов, усложняющих эксплуатацию месторождения, является склонность углей к самовозгоранию, эндогенные пожары [3].

Несмотря на то, что потенциально склонными к самовозгоранию признаны почти все пласты, представленные на участке, за исключением наименее мощных (ВостНИИГД, 2011 г.), проявления эндогенных пожаров в карьере встречаются только по пластам Безымянный-I, II и Мощный (рис. 10). Однако признаки пожаров в старых автоотвалах (рис. 11) проявляются по обоим бортам карьера, что свидетельствует о том, что все пласты вовлекаются в процесс горения при достаточных аэрации и давлении.

Технология отработки «горячего» угля проста и основана на относительно быстрой вывозке политого водой угля на промежуточные склады и дальнейшей отсыпке инертными породами (глинами) выработок с целью снижения притока кислорода.

С геологической точки зрения «интересными» видятся следующие моменты: сгорание части полезного ископаемого в недрах, повышение зольности угля в зонах пожаров, изменение пород под термическим воздействием, возможные просадки в местах над очагами пожаров, сложность или невозможность технологического бурения, а как следствие и взрывания массива и др.

Так, в 2012 г. при подготовке к добыче пл. Мощный была вскрыта зона полностью прогоревшего угля протяженностью порядка 70 м, запасы (при черпании в глубину на 6 м) по ней составляли порядка 6,5-7,0 тыс.т. угля марки СС; от общих подготовленных к выемке запасов по блоку (порядка 35,0 тыс.т.) это составило 20% - значительно превысив норматив потерь по пласту. В зонах, контактирующих с эндогенным пожаром, происходит засорение оставшейся части угольного пласта золой, горельником, что приводит к разубоживанию, повышению A^d, и в результате к сверхнормативным потерям.

Так как образующийся горельник зачастую является легко разрушаемым, почти сыпучим материалом, то участок эндогенного пожара можно автоматически относить и к опасным по просадкам, деформациям зонам; в общем массиве он образует ослабленное место, в котором расчетные предельные нагрузки не выдерживаются.

Породы, претерпевшие термические изменения (рис. 12, 13), интересны с точки зрения наблюдения за быстро протекающими современными процессами контактового метаморфизма. Угольный пласт толщиной от 1,5 до 15,0 м и температурой горения выше 1000⁰С можно сравнить с остывающей дайкой, если исключить временной фактор. На контактах угля с вмещающими породами образуются весьма специфические «новые» породы с измененной структурой (рис.). Происходит «спекание» отдельных зерен, общее уменьшение пористости пород, потеря изначальной слоистости, структура становится ближе к массивной и др. – то есть проявляются признаки метаморфических пород, а не осадочных. В химическом отношении порода «теряет» углистые, летучие вещества; рыжевато-красные пленки, примазки на сколах свидетельствуют об окислении железа.

Рис 10. Пожар по пласту Мощному

Рис 11. Пожар в восточном автоотвале

Очевидно, что медленно протекающие при недостаточном поступлении кислорода эндогенные пожары на стадии ГРР были выявлены лишь как зоны горелых пород, однако дальнейшие открытые горные работы создали обстановку, благоприятную для усиления эндогенных пожаров (аэрация по сети трещин). Таким образом, я бы отнес этот усложняющий горные работы фактор к неизбежным, вызванным самой техногенной природой карьера; однако горение старых отвалов пород вызвано неверной технологией их отсыпки и вывозкой чрезмерного количества разубоженного угля – а эта проблема уже относится к категории решаемых при наличии должного горного надзора.

Рис 12. Горельник, термические изменения породы в зоне эндогенного пожара

Рис 13. Потеря структуры, неровное сплавление алевроаргиллита и песчаника

 

Заключение и выводы

Таким образом, необходимо при составлении модели строения сложных участков в ходе геологоразведки необходимо учитывать весь комплекс геологических факторов, опираясь не только на дизъюнктивную модель:

- пликативное смятие пород и угольных пластов в складки в прибортовых частях
- возможность «выпадения» из разреза отдельных пластов, породных пачек из-за наличия внутри подразделений стратиграфических несогласий, зон выклинивания
- возможность литологического замещения угольных пластов на углистые аргиллиты, высокоуглеродистые образования (стяжения, тонкие прослойки) в составе пачек алевролитов
- наличие в разрезе зон с ухудшенными качественными характеристиками углей, такими как эндогенные пожары и зоны углей, склонных к самовозгоранию

Это позволит составить более точную модель строения месторождения и избежать постановки на баланс предприятия неподтвержденных запасов полезных ископаемых. В настоящее время покупатель месторождения порой платит слишком высокую цену за нежелание геологоразведочных партий производить комплексный анализ имеющихся данных, так как они не несут ответственности за дальнейшую сходимость данных. Неверная постановка на баланс влечет за собой неверное проектирование карьера и целый ряд негативных факторов: коэффициент вскрыши, превышающий проектный, неверное планирование объемов добычи по годам, несоответствие зольности и марочного состава углей, эндогенные пожары, низкая устойчивость бортов и мн. др.

Список использованной литературы:
1) Матвеев К.А. Геология угольных месторождений СССР. М., Издат. Моск. университета, 1990 г.
2) Ольховатенко В.Е. Инженерная геология угольных месторождений Кузнецкого бассейна. Томск, изд-во ТГАСУ, 2014 г.
3) Омельянович В.М. Шахтная геология угольных месторождений. М., Недра, 1966 г.
4) Усачев В.З. и др. «Отчет о детальной разведке в пределах лицензионных границ участка "Шестаки-2" (геологический участок Северная прирезка к Бачатскому Западному-1) Бачатского каменноугольного месторождения (Геологическое строение, качество и запасы каменного угля по результатам разведки по состоянию на 01.01.2013 г.)»; г. Новокузнецк, 2013 г.

Рецензии:

19.01.2018, 0:28 Трегубов Олег Дмитриевич
Рецензия: Это вторая работа автора, представленная в журнал SCI-ARTICLE.RU и посвященная геологическому строению Бачатского каменноугольного месторождения. Поставленные в статье вопрос, а именно критический анализ результатов геологоразведочных работ, безусловно актуален. Нестыковки данных геологоразведки и разработки месторождений явление обычное, обусловленное вполне объективными причинами, но требующее обязательного анализа. Статья может быть опубликована после устранения небрежностей и недоработок. А именно: 1. Название следует сократить и более четче сформулировать; 2. Цель работы не соответствует названию и заявленной автором проблематике. Вероятно она "перекочевала" из предыдущей работы. Здесь речь идет об обмене опытом или критическом анализе; 3. Это же касается и задач работы. Геологические маршруты, изучение обнажений бортов карьеров, сбор данных - это методы. Решаемыми задачами как понятно из текста были сравнения отчетной разведочной и фактической информации по тектонике, стратиграфии и качеству углей; 4. Автор развивает тему о "горелых углях". Вероятно как одно из качеств угля не учтенное разведчиками. Однако пояснения этого процесса и проблемы в целом дает во второй половине статьи. Следовало бы в водной части работы сразу обозначить позиции по которым идет сравнение разведочной и добычной информации. Так же не очень ясно когда речь идет об эндогенном горении в коренном залегании, когда о современном горении уже в угольном разрезе при его разработке; 5. На рисунке 9 нет условных обозначений. 6. Хотелось бы рекомендовать автору ввести рубрикацию Выводы, в которой по пунктам изложить недоработки и ошибки геологоразведочной стадии, в том числе по бурению, модели, запасам месторождения. А в заключении дать свои рекомендации разведчикам и разработчикам угольных месторождений.

Комментарии пользователей:

Оставить комментарий