Материал: Engineering Geology of MD

:^о-Судтенск

Горн

Рис. IV-8. Географическое положение Кузнецкого бассейна

иего горнопромышленные районы.

Втектоническом отношении Кузнецкий бассейн представляет собой сложное складчатое сооружение, для которого характерны горизонтальная и вертикальная зональность тектонического строения, сформировавшаяся лреимуш,ественно в позднем палеозое. Согласно современным представлениям [33], на площади распространения палеозойских отложений Кузбасса выделяются четыре тектонические зоны: 1) Присалаирская зона линейной складчатости и разрывов; 2) Приколывань-Томская зона линейной складчатости и разрывов; 3) Центральная зона

пологих складок и куполовидных поднятий и 4) Приалатауская

иПригорношорская зоны моноклиналей.

Вгеологическом разрезе Кузнецкого бассейна принимают участие комплексы отложений различного возраста — от кембрийского до четвертичного. Однако нижне- и среднепалеозойскне отложения обнажаются только по окраинам бассейна. Угленосные отложения, достигающие мощности более 10 000 м, представлены лагунно-континентальными угленосными бала-

1 « «

хонской серии (С2-3—Pi&O и континентальными угленосными кальчугинской серии (Рг). Верхним структурным этажом продуктивной толщи Кузбасса являются отложения тарбаганской серии юрского возраста с залежами бурых углей (Ji_2). Эти отложения занимают значительные площади в центральной части бассейна. Отложения триаса, мела и палеоген-неогеновые, преимущественно песчано-глинистые, распространены на отдельных участках бассейна и повсеместно четвертичные, среди которых наряду с аллювиальными значительную роль играют лёссовые.

Отложения угленосных серий на отдельных месторождениях подразделяются на подсерин, свиты н более мелкие стратиграфические единицы. Так, в разрезе балахонской серии выделяются: I) острогская свита (C^ios) конгломератов, песчаников, элевролитов и аргиллитов, 2) нижнебалахонская подсерия (€2-36/1) песчаников, алевролитов, аргиллитов и угольных пластов, 3) верхнебалахонская подсерия (Pibk) делится на четыре свиты: промежуточную, ишановскую, кемеровскую и усятскую, представленные конгломератами, гравелитами, песчаниками, алевролитами, углями, аргиллитами и их углистыми разностями.

Отложения кальчугинской серии делятся на три подсерии: кузнецкую безугольную {V^kz), ильинскую угленосную (Pji/) и ерунаковскую угленосную (Pger). Ильинская подсерия разделяется на лачку красноярских песчаников и пачку переслаивания песчаников, алевролитов, углистых аргиллитов и углей. Ерунаковская подсерия делится на три свиты: ленинскую, грамотеинскую и таймуганскую. Кальчугинская серия отложений, как и балахонская, в значительной части сложена песчаниками, алевролитами и аргиллитами, которые в петрографическом отношении очень сходны с породами балахонской серии.

Отложения тарбаганской серии (Ji-a) представлены конгломератами, песчаниками, алевролитами, в толще которых распространены аргиллиты, углистые породы и бурые угли. По сравнению с породами балахонской и кальчугинской серий мезозойские обломочные и глинистые породы и угли отличаются меньшей степенью литификации и углефикации.

В Кузнецком бассейне по геоморфологическим, структурногеологическим условиям и условиям освоения и разработки месторождений выделяется 25 горнопромышленных районов. В этих районах проведена разведка многих месторождений угля

100 шахт, основная часть которых имеет глубину до 200—300 м, самые глубокие — до 500 м. Планом развития народного хозяйства Советского Союза предусматривается значительное увеличение добычи угля главным образом открытым способом. В настоящее время действует около 20 карьеров глубиной до 150— 200 м, проектируются карьеры глубиной более 300 м.

107

Геологический разрез многочисленных месторождений Кузнецкого бассейна сложен главным образом песчаниками и алевролитами, в толще которых распространены аргиллиты. Именно эти петрографические типы пород являются вмещающими пласты, пачки и залежи угля и углистых пород, слагают почву и кровлю подземных горных выработок, стволы шахт, борта карьеров и в значительной степени вскрышу месторождений угля, разрабатываемых открытым способом. С участками и зонами повышенной выветрелости и трещиноватости песчаников, алевролитов и аргиллитов связана некоторая, в целом незначительная обводненность месторождений и развитие неблагоприятных геологических явлений.

Все перечисленное показывает, что физико-механические свойства основных типов пород, слагающих месторождения угля, представляют большой интерес, однако изучены они пока еще недостаточно. Наиболее значительные результаты изучения физико-механических свойств пород Кузбасса приведены в работах В. Е. Ольховатенко [33]. Из других пользуются известностью работы Ф. П. Нифантова, Э. М. Сендерзона, Г. М. Ро-

И. С. Пельдякова, И. П. Жингель и Ю. В. Гуляева, К. А. Кристин и др.

Анализируя данные о физико-механических свойствах основных петрографических типов пород угленосных серий Кузбасса, можно заключить, что песчаники, алевролиты и аргиллиты балахонской серий, как в значительной степени кальчугинской, принадлежат к группе полускальных средней и повышенной плотности и прочности.

В тех районах, где песчаники и реже алевролиты достигли высокой степени литификации (где угли имеют марки Г, Г—Ж, С, ПА и А), они принадлежат к группе типичных скальных. Породы тарбаганской серии имеют умеренную степень литификации и во всех случаях являются полускальными с пониженными показателями плотности и прочности и высокой пористостью.

На свойства пород кроме степени их литификации существенное влияние оказывают их петрографические особенности, и в частности очень четко выявляется влияние состава цемента. Песчаники и алевролиты с глинистым цементом являются наиболее слабыми, с глинисто-карбонатным цементом обычно отличаются большей плотностью и прочностью и меньшей пористостью. Наибольшую плотность и прочность имеют песчаники и алевролиты с карбонатным и кремнистым цементом.

Влияние петрографического состава пород балахонской се-- рии на их свойства наблюдается повсеместно. Например, прочность на сжатие отдельных основных их разностей изменяется в широких пределах: песчаников от 60 до 180 МПа, алевролитов от 19 до 117 МПа, аргиллитов от 11 до 115 МПа. При этом

J08

в зависимости от преобладающего цемента прочность пород на сжатие изменяется следующим образом, МПа.

Любопытно, что буримость и абразивность пород (определенная по методике Сиверса) изменяется соответственно у песчаников от 3,5 до 26 мм/мин и от 1,4 до 3,4 мин/мм, у алевролитов — от 29 до 80 мм/мин и от 3,8 до 48 мин/мм и у аргиллитов — от 34 до 110 мм/мин и от 6,3 до 50 мин/мм. Все эти дополнительные данные подтверждают, что прочность пород на сжатие и разрыв и их буримость изменяются в зависимости от преобладания того или иного цемента и типа цементации. Заметно влияние структуры пород и распределения цемента на их свойства. Например, мелкозернистые песчаники бурятся легче, чем крупнозернистые, при равномерном распределении цемента породы бурятся легче, чем при неравномерном.

В соответствии с достаточной неоднородностью состава, физического состояния и свойств песчаников, алевролитов и аргиллитов изменяются их крепость и устойчивость в горных выработках. Аргиллиты обычно имеют крепость 2—4, алевролиты 3—4, песчаники слабые 3—5, средней крепости 5—7, а крепкие 8 и выше. Считается, что породы, вмещающие угольные пласты

вКузнецком бассейне, характеризуются повышенной крепостью

ив нормальных условиях достаточно устойчивы в горных выработках. Обращая внимание на такую оценку крепости основных разностей пород Кузбасса, важно учитывать, что крепость скальных и полускальных пород зависит не столько от их состава, сколько от физического состояния — трещиноватости, выветрелостн, наличия поверхностей и зон ослабления и др.

Деформационные свойства песчаников, алевролитов и аргиллитов Кузбасса типичны для пород как полускальных, так и скальных. Среднее значение модуля упругости песчаников и алевролитов лежит в пределах 20 000—40 000 МПа, а аргилли-

циент поперечной деформации всех разностей пород обычно меньше 0,3.

IV-7. Изменение физико-механических свойств горных пород при литификации

Известно, что главную массу осадочных пород земной коры (80—90 %) составляют глинистые, которые образуются из осадков континентальных, лагунных и главным образом морских бассейнов. Очень часто они являются вмещающими для зале-

109

жей угля, руд и других полезных ископаемых. Именно они создают наибольшие трудности при разработке месторождений полезных ископаемых как открытым, так и подземным способами.

В зависимости от условий и способа накопления осадочного материала образуются различные генетические и петрографические типы осадков. Состав, состояние и свойства свежеотложившихся осадков под влиянием различных факторов литификации претерпевают существенные изменения, которые имеют большое инженерно-геологическое значение.

Длительный процесс изменения состава, состояния и свойств

гося глинистого осадка, находящегося в сильно гидратированном состоянии, превращающегося под влиянием процессов диагенеза в глину. Вторая стадия состоит из ряда последовательных фаз, а именно: превращения глины под влиянием процессов

условиях, в зоне метаморфизма, может превратиться в глинистый сланец филлитизированный, а затем в филлит. Описание процессов литификации основных разностей осадочных пород приведено в «Инженерной петрологии> [19].

Степень литификации глинистых пород хорошо контролируется не только их петрографическими признаками, но и показателями их физихо-механических свойств. Последние являются мерой их литификации и, следовательно, прочности и устойчивости. Однако важно учитывать, что на прочность и устойчивость пород высокой и предельно высокой степени литификации большое влияние оказывают поверхности и зоны ослабления, возникающие и развивающиеся в процессе их литификации. Поэтому инженерно-геологическое изучение таких разностей пород в значительной степени должно основываться на полевых методах, в том числе и на структурно-петрографических и струк- турно-тектонических.

1V-8. Связь изменений свойств осадочных угленосных отложений с метаморфизмом углей

Растительные остатки, рассеянные в толщах осадочных терригенных пород или образующие скопления в виде прослойков, линз, различной формы залежей, слоев, пачек и мощных слоев, весьма чувствительны к изменениям окружающих условий, и главным образом к изменениям давления и температуры. В результате растительные остатки разлагаются, происходит их гумификация, обогащение углеродом и обеднение кислородом. Эти процессы обычно протекают в условиях избыточной влажности среды при отсутствии или слабом доступе кислорода, при участии грибков и бактерий. Таким образом скопления растительных остатков превращаются в торф, т. е. свежеотложив-

110