Строение и свойства угольных пластов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Морфология угольных пластов

Угольным пластом называется геологическое тело, сложенное угольным веществом, распространенное на значительной площади и заключенное между приблизительно параллельными поверхностями напластования горных пород.

Порода, непосредственно подстилающая угольный пласт, является его почвой (подошвой), а покрывающая -- кровлей. В ряде случаев, вследствие специфичности условий накопления органического вещества или в результате эпигенетических факторов (размыв, тектонические дислокации и др.) кровля и почва угольных пластов оказываются непараллельными. Поэтому, наряду с термином угольный пласт, существует понятие пластообразная или линзообразная залежь угля. Во всех случаях форма пласта угля как геологического тела зависит от соотношения его мощности и протяженности.

2. Структура пластов

Угольный пласт нельзя представлять, как какое-то сплошное монолитное скопление угольного вещества. Характерной чертой угольных пластов, как и пластов осадочных пород любого состава, является слоистость. Ее появление обусловлено изменением скорости прогибания земной коры на площади угле накопления и сезонными климатическими процессами. Слоистость выражается в разрезе пласта в смене и чередовании различных петрографических типов угля, отличающихся по блеску, текстурно-структурным особенностям, трещиноватости и др. Она подчеркивается скоплением фюзенизированных фрагментов растительных тканей, неодинаковой насыщенностью отдельных слоев линзами и прослоями витрена, приуроченностью к некоторым горизонтам пласта различных конкреционных образований и неодинаковым содержанием в отдельных петрографических типах угля минеральных примесей. Особенно отчетливо заметна слоистость угольных пластов, если в разрезе имеются линзы, прослои и слои минеральных или угольно-минеральных пород. Слои угля в таких пластах принято именовать пачками. Пласты, состоящие из нескольких пачек угля, разделенных внутрипластовыми породными прослоями, широко распространены во всех угольных бассейнах.

Угольным слоем называется тонкий угольный пласт или часть угольного пласта (пачки), отличающаяся по петрографическому составу, трещиноватости, крепости или содержанию минеральных примесей.

Для характеристики строения угольных пластов вычерчиваются (в масштабе 1:20 или 1:50) структурные колонки, на которых прослои и пачки различного состава показываются соответствующими условными знаками. При этом отображение строения, состава и свойств отдельных пачек, и прослоев на структурных колонках угольных пластов может быть более или менее детальным.

При детальных петрографических исследованиях, когда в каждом слое угольного пласта определяется не только макротип, но и микрокомпонентный состав, на структурных колонках приводятся все наиболее важные сведения об угле.

3. Разделение угольных пластов по структурным признакам, мощности и условиям залегания

По структурным признакам, т.е. в зависимости от количества внутрипластовых породных прослоев, выделяются пласты простого, сложного (при наличии породных прослоев -- от одного до десяти, и очень сложного строения; в последнем случае угольные пласты (залежи) представлены частым переслаиванием большого количества угольных и породных прослоев. Например, на Волчанском, Богословском и Экибастузском месторождениях в мощных угольных пластах насчитываются десятки, а иногда и сотни породных прослоев.

В Донецком бассейне более половины всех пластов (54 %) характеризуются простым строением. Однако соотношение пластов простого и сложного строения в отдельных районах бассейна не остается постоянным. В Донецком экономическом районе пласты простого строения составляют более 60 %, Ворошиловоградском и Ростовском -- около 50, а в Днепропетровском --90 %.

В Кузнецком бассейне преобладают пласты сложного строения, особенно часто встречающиеся в отложениях кольчугинской серии.

В этих отложениях простое строение имеют не более 18 % пластов, в основном тонких. В балахонской серии Кузнецкого бассейна количество пластов с простым строением достигает 37 %. При этом простое строение нередко наблюдается в пластах средней мощности и даже в мощных.

В угленосных отложениях Карагандинского бассейна преобладающая часть угольных пластов обладает сложным строением. Исключение составляют отдельные пласты долинской и тентекской свит.

Пласты простого строения возникают в результате непрерывного накопления растительного материала. Обычно это происходит при устойчивом геотектоническом режиме, обеспечивающем совпадение скоростей нарастания торфяника и опускания области торфонакопления.

Сложные пласты являются образованиями переменного накопления. Их строение связано с изменением характера или с остановками в процессе накопления отмершей растительной массы. Это возможно только при неустойчивом геотектоническом режиме, когда скорость накопления торфяника неоднократно становится меньше или больше скорости опускания области торфонакопления. В результате торфообразование временно прекращается на всей площади или на отдельных ее частях.

Строение угольного пласта является одним из основных факторов, определяющих технологию их разработки и способы подготовки угля к использованию в промышленности.

Пласты сложного и очень сложного строения нередко разделяются породными прослоями на части, которые могут служить самостоятельными объектами эксплуатации. В сложном угольном пласте из многочисленных угольных пачек промышленную ценность может представлять только одна, залегающая непосредственно под кровлей или над почвой пласта и др.

При разработке мощных пластов угля выделяются эксплуатационные слои -- части пласта определенной мощности, вынимаемые раздельно. Эксплуатационный слой может быть частью одной угольной пачки или включать несколько пачек.

По мощности в практике разведки и эксплуатации принято разделять угольные пласты на пять групп: 1) весьма тонкие -- до 0,5 м; 2) тонкие -- от 0,5 до 1,3 м; 3) средней мощности -- от 1,35 до 3,5 м; 4) мощные -- от 3,55 до 15 м; 5) весьма мощные -- более 15 м.

По мощности и зольности среди угольных пластов различают рабочие и нерабочие.

Рабочим угольным пластом следует называть такой комплекс угольных пачек (или одну пачку) и прослоев пород, который имеет средневзвешенную зольность не выше, а суммарную мощность угольных пачек не ниже установленных кондициями для балансовых запасов по данному месторождению. Нерабочим пластом считается такой, который не удовлетворяет требованиям кондиций по мощности и зольности.

По свойству пласта угля сохранять рабочую мощность и строение в пределах шахтного поля оценивается степень его выдержанности. Выдержанность мощности и строения угольных пластов относится к основным факторам, определяющим промышленную ценность месторождения и условия его разработки.

По степени выдержанности выделяют три группы угольных пластов:

1)выдержанные, когда мощность, строение пласта и качество углей в пределах шахтного поля, а нередко и нескольких шахтных полей имеют незначительные отклонения от средних, характерных для этой площади величин; участки с нерабочим значением пласта отсутствуют;

2)относительно выдержанные, когда в пределах шахтного поля мощность и строение пласта и основные показатели качества углей существенно варьируют, но на большей части шахтного поля пласт не утрачивает промышленного значения; при наличии нерабочих участков пласта установлена отчетливая закономерность изменения показателей, обусловливающих переход рабочего пласта в нерабочий;

3)невыдержанные, когда вследствие резкой изменчивости мощности, строения пластов или показателей качества углей они на многих локальных участках в пределах шахтного поля утрачивают рабочее значение.

Протяженность пласта угля в пространстве, его выдержанность зависит от фациальных и геотектонических условий, при которых он образуется. Наиболее благоприятными являются прибрежно-морские (лагунные) условия седиментации, менее благоприятными -- прибрежно-континентальные (дельтовые и устьевые части рек). Многие пласты формировавшиеся в прибрежно-морских условиях, практически непрерывно прослеживаются на огромной площади. Например, площадь распространения пласта /з оценивается не менее чем в 20 тыс. км2, пласт к% непрерывно прослеживается на сотни километров, и др. В ряде случаев для возникновения выдержанных пластов довольно благоприятными были внутри- континентальные озерно-болотные условия угленакопления.

В зависимости от угла падения различают пологие (углы падения до 18°), наклонные (19--35°), крутонаклонные (36-- 55°) и крутые (56--90°) угольные пласты.

Углы падения пластов на площади угольных бассейнов, месторождений и даже отдельных шахтных полей не остаются постоянными. Они изменяются от крыльев к замкам складок, с глубиной залегания в пределах одного и того же крыла складки, вблизи дизъюнктивных нарушений, в местах замыкания антиклинальных и синклинальных структур.

4. Почва (подошва), кровля и породные прослои в пластах угля

Прослои в пластах угля в большинстве случаев представлены глинистыми или мелкоалевролитовыми отложениями. Разнообразнее литологический состав кровли угольных пластов, где иногда залегают конгломераты, гравелиты или грубозернистые песчаники. В Донецком бассейне в кровле пластов в отдельных случаях встречаются известняки. Обломочные породы кровли обычно имеют отчетливо выраженную слоистость. В них нередко наблюдаются растительные остатки, а иногда разнообразная, в т. ч. и типично морская, фауна. Для пород кровли характерно также присутствие сидеритовых, пиритных и других конкреций.

В отличие от кровли, почва угольных пластов, как правило, является неслоистой, комковатой. Комковатое строение пород почвы обусловлено присутствием остатков корневой системы растений, пронизывающих почву в различных направлениях, сохранность которых неодинакова. Нередко по остаткам корней развивается процесс сидеритизации, в результате чего возникают конкреции довольно причудливой формы. Из-за комковатого строения породы почвы получили у шахтеров название «кучерявчик».

Внутрипластовые породные прослои могут иметь различную мощность. Состав их преимущественно глинистый, реже алевролитовый; часто отмечается большее или меньшее количество примесей угольного вещества (углистые аргиллиты и алевролиты). В ряде случаев в пластах угля встречаются прослои каолинита («тонштейны»). Эти прослои при незначительной мощности (5--8 см) прослеживаются на десятки километров.

Контакты угольных пластов с почвой, кровлей и породными внутрипластовыми прослоями могут быть резкими или постепенными. Так, В.Н. Волков выделяет четыре типа контактов угольного пласта с почвой:

1)резкий с породами, не несущими признаков ископаемого почвенного слоя;?

2)сложный резко выраженный, при котором угольный пласт отделен от почвы тонким прослоем глинистых или углисто-глинистых осадков с четкими границами поверхностей раздела;

3)резкий четкий непосредственный без каких-либо переходов, с ровной поверхностью раздела;

4)постепенный через промежуточную пачку углистых пород и углей с высоким содержанием минеральных примесей.

Наибольшим распространением пользуются контакты третьего и четвертого типов.

5. Нарушения угольных пластов

Под нарушением угольного пласта понимают изменения его мощности, строения или залегания, оказывающие существенное влияние на ведение горных работ.

Нарушения угольных пластов по времени образования подразделяются на син- и эпигенетические. Первые возникают непосредственно в период накопления растительных остатков, формирующих угольные пласты, на торфяной стадии процесса углеобразования, нередко до покрытия торфяника минеральными осадками. Эпигенетические нарушения образуются не только после покрытия торфяника толщей осадочных пород, но нередко и после завершения становления всей угленосной толщи на различных этапах тектонической истории угольного бассейна.

К сингенетическим нарушениям относятся неровности почвы угольных пластов. Изменение мощности этих пластов обусловлено неровностями поверхности, на которой происходило торфонакопление. Так, на возвышенных участках древнего рельефа торф не возникал до тех пор, пока не наступало выравнивание поверхности в результате заполнения торфяной массой более низких участков. Естественно, над возвышенными участками древнего рельефа мощность угольных пластов всегда существенно меньше, чем на соседних, а нижние пачки угля отсутствуют.

К этому же типу нарушений принадлежат расщепления, выклинивания и фациальные замещения угольных пластов. Расщепление пластов связано с неравномерностью опускания или поднятия отдельных участков общей площади угле- накопления или с несовпадением скоростей нарастания торфяника и опускания площади торфонакопления. В подобных случаях в торфянике формируются минеральные прослои, возрастание мощности которых обусловливает расщепление, а нередко и выкливание угольных пластов.

Значительный привнос минеральных веществ в отдельные участки торфяных болот является основной причиной фациальных замещений угольных пластов углистыми породами. Изменение мощности отдельных угольных пачек и породных прослоев и расщепление пластов наблюдаются практически во всех угольных бассейнах.

Во время образования торфяников довольно часто происходила их речная эрозия. Временные или постоянные водотоки, пересекавшие торфяную залежь, проявляются в угольных пластах в виде замещающих уголь лент аллювиальных отложений, имеющих сложную конфигурацию. Сингенетичные угольному пласту размывы, как правило, не выходят за пределы почвы и кровли пласта.

Некоторые фациальные замещения угольных пластов возникают вследствие аллохтонного угленакопления. При этом отмечаются загрязнение массы минеральными примеся ми, значительные колебания мощности угольных пластов и их расщепление на коротких расстояниях. В результате угольные пласты утрачивают промышленное значение в связи с резким увеличением зольности, усложнением строения и невыдержанностью мощности.

Значительные затруднения при отработке угольных пластов вызывают торфодоломитовые конкреции -- угольные почки, характеризующиеся высокой механической прочностью. При общей линзовидной форме они бывают более или менее уплощенными, но большей частью неправильно шарообразными. Размеры почек по толщине колеблются от 0,05 до 0,25 м, реже составляют 0,5 м и более. Диаметр их также резко изменяется -- от 0,2 до 2 м и более.

Угольные почки залегают в различных частях пласта, но в каждом пласте они приурочены к какой-либо одной пачке или слою угля. Границы почек с окружающим углем всегда резкие. Уголь очень плотно облекает почки. Большинство их имеет близкий химический состав и представляет собой известковые конкреции с незначительным количеством доломита, сидерита и терригенного материала. В отдельных случаях встречаются конкреции, в составе которых кроме пирита, являющегося главным минералом, принимают участие песчано-глинистый материал и органическое вещество.

В некоторых случаях хемогенные минерализованные слои (конкреции) типа угольных почек и стволы окаменевших деревьев встречаются в кровле пластов (пласты 19, 23 и 266 в Байдаевском районе Кузбасса). Мощность подобных слоев варьирует от 5 до 35 см. Диаметр окаменевших деревьев достигает 60 см. Эти образования приурочены к контактам разных по составу пород, чаще к слоям мелкого алевролита или аргиллита. Иногда они создают ложную или непосредственную кровлю и почву угольных пластов. Угольные почки и минерализованные стволы деревьев имеют непрочную связь с породами в которых они залегают, вследствие чего при обнажении отслаиваются и дают вывалы.

Нарушения угольных пластов после их формирования обусловлены эпигенетическими размывами, инъекциями в уголь кластического материала, обладающего плывунными свойствами, тектоническими воздействиями, карстовыми явлениями и внедрением изверженных пород.

Эпигенетические размывы подразделяются на овражно-речные и морские. Первые довольно широко распространены в большинстве угольных бассейнов, вторые отмечаются значительно реже. Те и другие размывы обычно имеют локальный характер развития. Правда в некоторых случаях они захватывают большие площади, полностью или частично уничтожая угольные пласты вместе с перекрывающими породами. Такие размывы существенно усложняют не только отработку угля, но и управление кровлей вследствие резкой изменчивости ее литологического состава.

Инъекции в угольные пласты кластического материала про исходят по трещинам из перекрывающих или подстилающих пласты слоев плывуна. В процессе катагенеза угленосной толщи кластический материал литифицируется и превращается в алевролит или мелкозернистый песчаник с высокой механической прочностью. В результате в угольной массе пласта встречаются инородные тела, так называемые кластические дайки, различной мощности -- от долей метра до нескольких метров и протяженности в десятки метров, существенно осложняющие отработку угольных пластов.

Тектонические воздействия на угольные пласты приводят к возникновению в угле экзогенных трещин, при значительном развитии которых уголь становится псевдопластичным, в угольных пластах образуются раздувы и пережимы, отмечаются расштыбование угля, нарушение устойчивости вмещающих пород кровли и почвы и засорение угля минеральными примесями. В отдельных случаях тектонические воздействия на пласты угля вызывают полную утрату ими промышленной ценности.

Внедрение изверженных пород в угленосную толщу в виде пластовых интрузий и даек обусловливает локальные изменения химико-технологических и физико-механических свойств углей. При этом пластовые интрузии нередко срезают часть пласта или весь пласт, ассимилируют угольную массу.

Проявление карста в подстилающих уголь породах приводит к провалам угольного пласта, изменению мощности и разрушению угля на локальных ограниченных участках.

В ряде бассейнов (Кузнецкий, Канско-Ачинский, месторождения Забайкалья и др.) широко распространено выгорание пластов. Глубина выгорания существенно меняется в зависимости от геологических, геоморфологических и гидрогеологических условий. На Барандатском месторождении Канско-Ачинского бассейна пласт.

Мощный выгорел в глубину на 20--30 м и по простиранию на 20 км. Ширина зоны выгорания 1,5--2 км. Зоны выгорания пластов Мощного, Прокопьевского и Спутника на шахте «Тайбинская» (Кузбасс) распространяются на глубину до 200 м. «Горельники» на выходах пластов осложняют их отработку открытым способом. При подземной разработке следует учитывать, что они нередко являются источником прорывов в нижележащие горные выработки значительных масс содержащихся в них вод.

6. Угленосная толща

Угленосная толща представляет собой комплекс осадочных пород, обязательной составной частью которых являются пласты угля. Породы, слагающие угленосные толщи, в основном обломочные, различного гранулометрического состава -- конгломераты, гравелиты, песчаники, алевролиты и аргиллиты. Иногда присутствуют хемогенно-органогенные породы морского происхождения.

При кажущемся внешнем сходстве одноименные породы угленосной толщи существенно отличаются по вещественному и гранулометрическому составу, степени окатанносги зерен, сортированности материала, текстурным особенностям и характеру органических и неорганических включений. Все это свидетельствует о большом разнообразии фациальных условий осадконакопления. В то же время между породами угленосной толщи отмечается тесная парагенстическая связь. В угленосных толщах в различных сочетаниях принимают участие следующие группы фаций: морские (преимущественно прибрежные), лагунные, озерные, фации побережья, болотные, речные, конусов выноса (пролювиальные) и вулканогенные.

Палеогеографическая обстановка образования угленосной толщи определяет в каждом конкретном случае комплекс фаций и основные петрографические признаки слагающих их пород. Цвет пород преимущественно серый, иногда темно-серый. Наряду с горизонтальной встречается волнистая или косая слоистость, которая подчеркивается либо прослойками различного гранулометрического состава и цвета, либо скоплениями обугленного растительного детрита.

угольный пласт нарушение слоистость

Размещено на Allbest.ru