шиеся органические образования, в той или иной степени разложившиеся.
Дальнейшие изменения окружающих условий при прогрессивном развитии осадочного процесса и погружении толщ пород на все большие и большие глубины ведут к последовательному превращению торфа в уголь бурый, последнего в каменный уголь и затем в антрацит. Совокупность процессов изменений и превращений растительных остатков от торфа до антрацита принято называть углефикацией. При этом первую стадию этого процесса — превращение торфа в бурый уголь — называют диагенезом, а вторую —созревание углей, т. е. дальнейшее их изменение от бурых до антрацита, — метаморфизмом.
Угли и вмещающие их породы в геологическом разрезе любого участка земной коры образуют всегда единый комплекс осадочных образований. Процесс их изменения на рассматриваемом этапе литогенеза протекает одновременно, но проявляется неодинаково в связи с различным вещественным составом их. Поэтому связь метаморфизма углей с литификацией вмещающих пород и изменениями их свойств вполне естественна и закономерна. На это обращали внимание Ю. А. Жемчужников, Н. В. Логвпненко, Е. О. Погребицкий, П. В. Зарецкий, М. Л. Левенштейн, В. Л. Свержевскик, Б. К. Чичуа и многие другие исследователи. Особенно большой интерес в этом плане представляют работы С. И. Малиннна [27] и В. Е. Забигайло, А. 3. Широкова й др. [4].
Установлено, что повышение степени метаморфизма углей обычно проявляется в уменьшении содержания в их составе летучих компонентов и влаги, увеличении содержания углерода, повышении плотности органической массы и, главное, в повышении их прочности и крепости. В соответствии с этим выделяются определенные технологические марки углей (табл. IV-3). отражающие степень их метаморфизма.
Угли марок Б, Д и Г встречаются обычно среди глинистых пород средней степени литификации, т. е, в уплотненных глинах, В Донецком бассейне это уплотненные размокающие в воде глины. На начальных стадиях катагенеза не наблюдается признаков изменений их минерального состава [4], так же как и глинистого вещества цемента песчаников и алевролитов.
Угли со степенью метаморфизма, отвечающей маркам Ж, К и С, встречаются в глинистых породах высокой степени лити-
фикации, т. е. разнообразных аргиллитах, среди |
угленосных |
|
толщ платформенных и складчатых областей. По |
наблюдениям |
|
в Донецком бассейне [4, 27], на этой стадии метаморфизма |
уг- |
|
лей глины превращаются в аргиллиты, что сопровождается |
вто- |
|
ричными изменениями их минерального состава. Например, по глинистым минералам начинают развиваться вторичные гидрослюды, появляются новообразования кварца в виде мелких, очень частых выделений неправильной формы с расплывчатыми облачными контурами. В алевролитах и песчаниках отмечается
111
|
|
|
Т А Б Л |
|
Показатели состава н физического состояния |
||
Группа углей |
Угли |
М а р к а |
Летучие, % |
Бурые |
Бурый |
Б |
> 4 2 |
|
Ддиннопламекный |
д |
> 3 7 |
|
Газовый |
г |
> 3 5 |
Каменные |
Жирный |
Ж |
25-37 |
|
Коксовый |
к |
1 8 — 2 7 |
|
Спекающийся |
с |
14 22 |
Антрациты |
Тощий |
т |
9 - 17 |
Антрацит |
А |
9 |
|
гидратация биотита, замещение плагиоклазов гидрослюдой, а калиевых полевых шпатов — каолинитом.
Угли высокой степени метаморфизма, отвечающие маркам Т и А, встречаются среди пород весьма высокой и предельно высокой степени литнфикации и даже в некоторой степени метаморфизованных. Это плотные аргиллиты, аргиллиты с признаками сланцеватости и даже глинистые сланцы. На этой стадии литификации пород происходят существенные изменения в их минеральном составе и строении. Например, в глинистых породах и в цементе обломочных пород (песчаников и алевролитов) наблюдается резкое увеличение содержания гидрослюд за счет преобразования первичных минералов. Здесь же появляются признаки бластеза, т. е. перекристаллизации в твердом состоянии вторичных гидрослюд. Интенсивно развивается и вторичный кварц. В песчаниках, как и в алевролитах, наблюдается заметное или даже полное исчезновение биотита, который замещается мусковитом, хлоритом и др. Таким образом, на этой стадии литификации пород происходят существенные изменения их состава и строения.
В соответствии с постдиагенеткческими изменениями горных пород при литификации и метаморфизмом углей изменяются и их физико-механические свойства, описание которых приведено выше. Дополнительно можно отметить следующее. По данным исследований в Донбассе, Кузбассе и на Уральских месторождениях угля, угли бурые, длиннопламенные и газовые обычно залегают среди пород, средняя плотность которых изменяется от 2,15 до 2,35 г/см®; жирные, коксовые и спекающиеся
встречаются в |
породах со средней плотностью |
от |
2,35 до |
2,60 г/смз, а тощие и антрациты приурочены к породам |
с плот- |
||
ностью от 2,60 |
до 2,75 г/смЗ. Замечено, что угли от бурых до |
||
жирных встречаются в породах, в которых скорость |
распростра- |
||
нения упругих волн изменяется от 2600 до 3500 м/с, а тощие и антрациты залегают среди пород, скорость распространения упругих волн в которых изменяется от 4000 до 5000 м/с.
112
ИЦА IV.3
ископаемых углей разной степени литнфикацни
|
Средняя плотность |
П р и м е р н а я |
степень |
Средняя плотность |
|||
|
скелета |
вмещающих |
|||||
Углерод, у. |
органической |
литнфикацни |
вмещающих |
||||
глинистых пород, |
|||||||
|
массы, г/см' |
|
пород |
||||
|
|
|
г/см' |
||||
|
|
|
|
|
|
||
< 7 6 |
0,8—1,75 |
Средняя |
|
1,35-1,90 |
|||
76—86 |
|
|
|
|
|
|
|
76—89 |
|
|
|
|
|
|
|
84—90 |
1,26-1,35 |
Высокая |
|
1,90—2,50 |
|||
87—91 |
|
|
|
|
|
|
|
89—94 |
|
|
|
|
|
|
|
90—95 |
1,36—1,50 |
Предельно высокая |
|
|
|||
93-98 |
2,65-2,70 |
||||||
IV-9. Влияние физико-механических свойств горных пород |
|||||||
|
на формирование |
месторождений |
|
|
|||
|
рудных полезных ископаемых |
|
|
||||
Данные, |
характеризующие |
физико-механические |
свойства |
||||
горных пород, имеют большое значение не только специальное, но и общегеологическое, на что уже обращалось соответствующее внимание. Здесь важно отметить, что они нередко имеют решающее значение при исследованиях закономерностей формирования разнообразных рудных месторождений полезных ископаемых и их поисковых признаков. Результаты исследований, подтверждающие такие выводы, уже многочисленны и достаточно оценены. В этом отнощении исключительный интерес представляют работы Ю. А. Розанова [1973, 1968 гг.], А. В. Ко-
ролева и Г. Тулегенова [I960 г.], Б. И. Козырева, И. П. Лаверова |
|
и Ю. А. Розанова |
[1973 г.], Л. И. Звягинцева [1973 г.], Н. И. Лю- |
бимова и В. И. |
Морозова [1973 г.], И. П. Тимченко [1968 г.], |
В. И. Старостина |
[1979 г.], Н. К- Озолинь [1974 г.] и др. |
Все эти работы убедительно показали, что физико-механиче- ские свойства горных пород определяют: 1) формирование геологических структур, благоприятных для локализации оруденения; 2) появление признаков, объясняющих закономерности распространения месторождений, важных при их поисках и разведке.
Из разнообразных свойств горных пород первостепенное значение для решения перечисленных задач имеют их плотность, пористость, проницаемость, прочность, деформируемость, хрупкость и пластичность. Именно эти свойства оказывают главное влияние на образование складчатых и разрывных структур и локализацию оруденения в горных породах.
Примеров влияния физико-механических свойств горных пород на формирование рудных месторождений много, однако объем предлагаемого учебника не позволяет рассматривать эти вопросы и, кроме того, им посвящены специальные работы.
Глава V
НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД, ЕГО ИЗМЕНЕНИЕ И ПРОЯВЛЕНИЯ ПРИ ПРОХОДКЕ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК. ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ
V-1. Естественное напряженное состояние горных пород
Горные породы в условиях естественного залегания обычно находятся в состоянии всестороннего сжатия, развивающегося под влиянием веса вышележащих горных пород (гравитационных сил), тектонических движений (тектонических сил), температурных градиентов и геохимических процессов. Внутренние напряжения в горных породах создаются уже при их формировании: в магматических при остывании и раскристаллизации магмы, в осадочных при гравитационном и геохимическом уплотнении осадков, в метаморфических при перекристаллизации исходных осадочных и магматических пород и сопровождающих эти процессы тектонических движениях. Таким образом, компоненты, слагающие горные породы (кристаллы минералов, их обломки и обломки горных пород), кристаллизуются, уплотняются и цементируются в сжатом состоянии под воздействием контракционных, гравитационных и главным образом тектонических сил.
Однако современное напряженное состояние горных пород обусловлено главным образом новейшими геологическими процессами. Свидетельством того, что они находятся в напряженном состоянии, являются: непосредственные измерения напряжений, расчеты и моделирование явлений, а также наблюдения за уменьшением влажности и пористости пород с глубиной и повышением плотности; напряженное состояние коренных пород проявляется в землетрясениях, неотектонических движениях, различных деформациях их в горных выработках и в том числе динамических (стреляние, выбросы угля и газов, горные удары), разуплотнении пород, появлении в них трещин, систем трещин и зон трещин упругого отпора при разгрузке; аномально высокое пластовое давление на нефтяных и газовых месторождениях и другие явления.
Гравитационные нагрузки на платформах в осадочных породах могут достигать 120—150 МПа, а в геосинклинальных зо- нах—400—500 МПа и более. В приповерхностных горизонтах земной коры напряжения в горных породах, обусловленные весом вышележащих пород, находятся обычно в пределах от 0,1— 0,2 МПа на глубине 10—20 м до 2—3 МПа на глубине 100— 150 м и достигают 20—30 МПа на глубине 1000 м. Тектониче-
114
ские силы вызывают напряжения до десятков тысяч мегапаскалей.
До недавнего времени при определении внутренних напряжений в горных породах исходили из теории, сформулированной швейцарским геологом А. Геймом [1878 г.]. Согласно этой теории напряжения в горных породах определяются только глубиной их залегания от поверхности земли
Oi^yH,
где oi — вертикальное главное напряжение, Па; y — плотность пород, г/см^; Я — глубина залегания пород, м,
А. Гейм полагал, что напряжения в земной коре распространяются по гидростатическому закону, т. е.
где Ста=~ горизонтальные главные напряжения.
Русский ученый акад. А. Н. Динник [1925 г.] показал, что твердые горные породы до некоторой достаточно значительной глубины находятся в упругом состоянии и их деформации подчиняются главным образом закону Гуна. Поэтому напряжения в таких породах не везде следуют гидростатическому закону и их горизонтальная составляющая зависит от коэффициента бокового давления, показывающего, какая часть вертикальной нагрузки передается в стороны, т. е.
Qj = |
аз |
ail. |
|
|
где <Т2=аз — горизонтальные |
главные напряжения; | — коэффи- |
|||
циент бокового давления, |
равный |
ц/(1—ц); |
ц — коэффициент |
|
поперечной деформации |
горных |
пород — коэффициент Пуас- |
||
сона. |
|
|
|
|
Следовательно, согласно |
теоретическим |
представлениям |
||
А. Н. Динника, горизонтальные напряжения в твердых горных породах равны
Коэффициент поперечной деформации скальных и полускальных пород изменяется от 0,1 до 0,4, а песчаных и мягких глинистых — от 0,2 до 0,5. Следовательно, коэффициент бокового давления может достигать максимального значения, равного единице, на глубинах, представляющих практический интерес, только в мягких глинистых породах. Поэтому гидростатическое напряженное состояние горных пород в приповерхностных горизонтах земной коры может иметь место только в редких случаях.
В настоящее время непосредственные измерения, произведенные на глубинах от 6—15 до 1000—1100 м от поверхности земли, показали, что горные породы испытывают естественные напряжения значительно большие, чем давления, определяемые расчетным путем по теории А. Гейма и А. Н. Динника. При
1 1 5