Влияние структуры на прочность песчаников Донбасса

Влияние структуры на прочность песчаников Донбасса

Визначені основні закономірності зміни фізико-механічних властивостей пісковиків Донбасу, їх залежність від структури. Співставлення міцності і розміру уламкових зерен пісковиків виконано в різних районах і різних по ступеню катагенезу породах....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2009
1. Verfasser: Баранов, В.А.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2009
Schriftenreihe:Геотехническая механика
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/33278
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Влияние структуры на прочность песчаников Донбасса / В.А. Баранов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 83. — С. 66-72. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-33278
record_format dspace
spelling irk-123456789-332782012-05-28T12:53:33Z Влияние структуры на прочность песчаников Донбасса Баранов, В.А. Визначені основні закономірності зміни фізико-механічних властивостей пісковиків Донбасу, їх залежність від структури. Співставлення міцності і розміру уламкових зерен пісковиків виконано в різних районах і різних по ступеню катагенезу породах. Basic conformities to the law of change of physical and mechanical properties of Donbass sandstones from their structure are certain. Comparison of durability and size of fragmental corns of sandstones is executed in different districts and breeds different on the degree of katagenesis. 2009 Article Влияние структуры на прочность песчаников Донбасса / В.А. Баранов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 83. — С. 66-72. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/33278 622.273 ru Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Визначені основні закономірності зміни фізико-механічних властивостей пісковиків Донбасу, їх залежність від структури. Співставлення міцності і розміру уламкових зерен пісковиків виконано в різних районах і різних по ступеню катагенезу породах.
format Article
author Баранов, В.А.
spellingShingle Баранов, В.А.
Влияние структуры на прочность песчаников Донбасса
Геотехническая механика
author_facet Баранов, В.А.
author_sort Баранов, В.А.
title Влияние структуры на прочность песчаников Донбасса
title_short Влияние структуры на прочность песчаников Донбасса
title_full Влияние структуры на прочность песчаников Донбасса
title_fullStr Влияние структуры на прочность песчаников Донбасса
title_full_unstemmed Влияние структуры на прочность песчаников Донбасса
title_sort влияние структуры на прочность песчаников донбасса
publisher Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
publishDate 2009
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/33278
citation_txt Влияние структуры на прочность песчаников Донбасса / В.А. Баранов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 83. — С. 66-72. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series Геотехническая механика
work_keys_str_mv AT baranovva vliâniestrukturynapročnostʹpesčanikovdonbassa
first_indexed 2025-07-03T13:48:51Z
last_indexed 2025-07-03T13:48:51Z
_version_ 1836633850030063616
fulltext 66 Выпуск № 83 УДК 622.273 В.А. Баранов, д-р геол. наук (ИГТМ НАН Украины) ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ НА ПРОЧНОСТЬ ПЕСЧАНИКОВ ДОНБАССА Визначені основні закономірності зміни фізико-механічних властивостей пісковиків Дон- басу, їх залежність від структури. Співставлення міцності і розміру уламкових зерен піско- виків виконано в різних районах і різних по ступеню катагенезу породах. INFLUENCE OF STRUCTURE ON DURABILITY OF DONBASS SANDSTONES Basic conformities to the law of change of physical and mechanical properties of Donbass sand- stones from their structure are certain. Comparison of durability and size of fragmental corns of sandstones is executed in different districts and breeds different on the degree of katagenesis. 50-е ÷ 70-е годы 20-го столетия для Донецкого угольного бассейна характе- ризовались не только восстановлением разрушенной в военные годы угольной промышленностью, но и дальнейшим ее развитием как по площади (введение в эксплуатацию новых районов и Западного Донбасса), так и по глубине. Оба фактора привнесли новые проблемы в отрасль, особенно в направлении изме- нения горно-геологических условий. Так, угленосные отложения Западного Донбасса характеризуются относи- тельно низкой прочностью, повышенной влажностью и выдавливаемостью пла- стичных аргиллитовых пород (последнее свойство, до сих пор некоторые спе- циалисты называют по старинке пучением). Отложения Большого Донбасса при повышении глубины отработки уголь- ных пластов, характеризуются увеличением газоносности (а выработки – по- вышением газообильности), выбросоопасностью угля, а с 1954 года и вмещаю- щих угли песчаников. Проблемы крепления подготовительных горных вырабо- ток, процессы сдвижения пород, необходимость перекрепления выработок и сопутствующие этому процессы актуальны и сейчас. Главным критерием ус- тойчивости горных выработок является временное сопротивление горной поро- ды при одноосном сжатии или прочность горных пород на одноосное сжатие (σсж), поскольку он является комплексным и зависит от ряда параметров: струк- туры песчаника, минералогического состава, степени катагенеза пород, коллек- торских свойств, влажности и т.д [1]. В 70-е ÷ 80-е годы некоторые авторы отмечали, что прочностные свойства песчаников уменьшаются с увеличением крупности слагающих их зерен, не описывая более детально указанную зависимость для разных условий [2-6 и др.]. С.И. Малинин, рассмотрел важнейшие, на его взгляд, критерии, влияющие на физико-механические свойства любого вещества [5]. К ним он отнес: мине- ральный состав породы; форму слагающих ее частиц; расположение частиц в породе; тип и состав цемента в обломочных породах; сцепление между части- цами; вторичные изменения пород. Проведенные указанным автором сопостав- ления петрографического состава со вторичными изменениями и физико- "Геотехническая механика" 67 механическими свойствами, послужили основой построения целого ряда гра- фиков, зависимостей одних параметров от других, но сопоставлений структуры пород и физико-механических свойств данный автор не проводил. Главный результат рассмотренной работы приведен в табл. 7, где для раз- ных по структуре пород: аргиллитов; алевролитов и песчаников от мелко- до мелко-среднезернистых, для разных стадий углефикации наблюдается законо- мерное увеличение прочности (от 8 МПа для аргиллитов раннего катагенеза – возле длиннопламенных углей, до 250 МПа для известняков позднего катагене- за – возле суперантрацитов - А13-14). Нарушает приведенную общую законо- мерность примесь карбонатов (увеличивая значения прочности) и общее коли- чество цемента (чем его больше, тем меньше прочность). О.С. Алферов, исследуя устойчивость горных пород на больших глубинах, в качестве исходного признака принял так называемый структурный коэффици- ент, рассчитываемый в шлифах под микроскопом [6]. Для его определения, в шлифе, нормально слоистости, рассчитывается общее количество обломков прочных минералов n на длине линии подсчета l. Затем вычисляется удельное количество таких обломков на 1 мм: m = n/l. Структурный коэффициент δ оп- ределяется как отношение F/m, где F – процентное содержание обломков прочных минералов, отнесенное ко всей массе породы. Понятно, что по такой методике ничего вычислить нельзя, поскольку непо- нятно, что такое m – удельное количество обломков или вся масса породы (и тогда, что такое «вся масса породы» и в чем она измеряется). Кроме этого, об- ломки прочных минералов в песчанике, алевролите и аргиллите будут по раз- мерам существенно изменяться, примерно от 1,0 до 0,00n мм, в таком случае, при каких увеличениях нужно проводить измерения? Приведенный выше структурный коэффициент почему-то безразмерный, при этом входящие в него элементы имеют размерности. Впрочем, важен результат, а в данной работе он следующий: на рис.1 приведена графическая зависимость прочности пород на одноосное сжатие от гранулометрического состава в виде структурного коэф- фициента δ. Сама зависимость незначительно отличается от линейной, характе- ризуя, по сути, увеличение прочности от увеличения размера обломков проч- ных минералов. По тексту приведены примерные значения структурного коэффициента δ, плавно уменьшаясь от крупнозернистых песчаников до аргиллитов, что приве- дено в правой части рис.1. Следует сказать, что в оригинале рассмотренной ста- тьи алевролиты названы «алевритовыми сланцами», а аргиллиты – «глинисты- ми сланцами». Эти несуществующие термины до сих пор употребляют некото- рые специалисты, забывая проверять их в словарной и справочной литературе. Таким образом, косвенные сопоставления структуры пород с прочностью и полученные результаты были обнаружены только в этих двух публикациях. В других [2-4 и. т.д.], приведены либо ссылки на указанные публикации, либо декларационные утверждения о том, что структура влияет на прочность пород. 68 Выпуск № 83 Песчаники крупнозернистые – δ > 75 Песч-ки среднезернистые - δ = 40-75 Песч-ки мелкозернистые - δ = 20-40 Песч-ки тонкозернистые - δ = 10-20 Песчано-алевриты - δ = 5-10 Алевриты - δ = 1-5 Аргиллиты - δ < 1 Рис. 1 – Связь прочности с гранулометрическим составом и значения структурного коэффициента δ [6] В данной статье приведены результаты исследований зависимости пределов прочности песчаников Донбасса на одноосное сжатие (σсж) от размеров обло- мочных зерен (dср). Для исследований отбирались пробы в Красноармейском, Центральном, Краснодонском и Алмазном районах Большого Донбасса, а также были привлечены результаты по Новомосковскому и Павлоградско- Петропавловскому районам Западного Донбасса, изложенные в монографии Б.М. Усаченко [4]. В Западном Донбассе пробы отбирались из отложений Самарской свиты нижнего карбона (С1 3), характеризующейся наличием промышленной угленос- ности, с глубин от 160 м до 600 м. Опробовались отложения Новомосковского района и семи шахт Павлоградско-Петропавловского района: Першотравневой; Степной; Юбилейной; Терновской; Павлоградской; Благодатной; Самарской. В районах Большого Донбасса пробы песчаников отбирались из отложений наиболее продуктивного среднего карбона свит С2 5; С2 6; С2 7, с глубин, пример- но, от 500 до 1600 м. Основные прочностные и петрографические характеристики отобранных проб приведены в таблице. Для проб Западного Донбасса не приведены значе- ния структуры, поскольку для каждой пробы они не определялись. Кроме этого, в указанном регионе нет отложений среднего катагенеза, поскольку фундамент протерозойских пород гранито-гнейсового состава расположен на глубинах примерно, 1000÷1500 м. Основной результат из этой таблицы для Западного Донбасса заключается в том, что нижнекарбоновые песчаники раннего катагенеза Павлоградско- Петропавловского района имеют значения предела прочности на сжатие при- мерно в два раза выше, чем примерно такие же песчаники Новомосковского района. Марочный состав углей в этих районах тоже отличается. Для Новомос- ковского района характерна марка Д (на глубоких горизонтах иногда Д-Г). Для "Геотехническая механика" 69 шахт Павлоградско-Петропавловского района характерны газовые угли. Таблица 1 – данные о прочности и структуре карбоновых песчаников Донбасса Район иссле- дования Участок раз- ведки, шахта Количество исследо- ванных проб песча- ников Структура зе- рен: min; max; и среднее; мм Значения предела прочности на сжатие: min; max; и среднее; МПа Марочный состав вскры- тых углей Новомосков- ский уч. Новомос- ковский 4 - 5,0-48,0 24,0 Д; Д-Г Павлоградско- Петропавлов- ский 7 шахт За- падного Донбасса 11 - 34,0-57,0 45,0 Г уч. Северо- Родинский 85 0,08-0,46 0,24 41,2-134,3 77,6 Г; Ж Красноармей- ский шх. им. А.Г. Стаханова 53 0,1-0,35 0,2 44,0-127,0 85,9 Г; Ж Центральный уч. Горлов- ский-Глубокий 42 0,09-0,44 0,24 59,5-192,1 132,6 Ж; К; ОС Краснодон- ский уч. Самсонов- ский-Западный 100 0,1-0,41 0,24 98,0-172,0 130,9 Г; Ж Алмазный уч. Санжаровский 14 0,11-0,36 0,18 52,3-96,8 78,6 К; ОС Средние значения предела прочности на сжатие для районов Большого Дон- басса имеют свои особенности. Так, для двух участков Красноармейского рай- она прочность, примерно, в два раза выше, чем для Павлоградско- Петропавловского и в четыре – чем для Новомосковского. Для Центрального района прочность, примерно, только в полтора раза выше, чем в Красноармей- ском районе. Интересен факт подобия прочности для Центрального района (тектонически наиболее дислоцированного) и Краснодонского, тем более, что для первого – пробы отобраны, в основном, из нижней части среднего катагене- за, а для второго – из верхней части, то есть менее нагруженной. Иными слова- ми, для этих двух районов степень тектонической дислоцированности и катаге- нетических преобразований мало отличается. Объяснением данного факта мо- жет быть наличие серии надвигов в Северо-Восточной части Донбасса: Красно- донского, Суходольского, Каменского, Глубокинского, которые в совокупности проявили степень тектонических напряжений, подобную таковым в Централь- ном районе, где формировалась Главная антикленаль. Относительно невысокие значения прочности песчаников Санжаровского участка, Алмазного района, подобны таковым для Красноармейского района, что характерно для прибортовых слабодислоцированных районов. При этом, песчаники данного участка претерпели примерно такой же катагенез, как и от- ложения Центрального района. Таким образом, наложившаяся на катагенетиче- ские преобразования тектоника, внесла существенные коррективы в свойства горных пород, что и отразилось при изучении их прочностных параметров. Поскольку для проб песчаников из районов Большого Донбасса определя- 70 Выпуск № 83 лись не только прочностные характеристики, но и структурные, были построе- ны соответствующие графики (рис. 2-5), более наглядно проявляющие сущест- вующие зависимости. На рисунках представлены графические зависимости и основные параметры статистической обработки парной корреляции значений прочности и значений структуры исследованных проб. Связь прочности песчаников с размером зерен. Уч. Северо-Родинский y = -0,2797x + 89,663 R 2 = 0,0715 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0,08 0,1 2 0,15 0,16 0,18 0,21 0,23 0,24 0,26 0,28 0,29 0,32 0,34 0,37 0,46 Размер обломочных зерен, мм; n=85 П р е д е л п р о ч н о с т и н а с ж а т и е , М П а Дисперсия Х = 0,09 Дисперсия У = 25,66 Коэф. корреляции r = -0,29 Дисперсия r = 0,10 Надежность µ = 2,97 Коэф. вариации для У = 33,05 Доверительный ин- тервал для У = 5,57 Рис. 2 – Графическая зависимость прочности от размера зерен для уч. Северо-Родинского, Красноармейского района; Х – знач-я абсциссы; У – знач-я ординаты Связь прочности песчаников с размером зерен. Шх. им. А.Г. Стаханова y = -0,0531x + 87,321 R 2 = 0,0016 0 20 40 60 80 100 120 140 0, 1 0, 12 0, 13 0, 15 0, 16 0, 17 0, 18 0, 19 0, 21 0, 24 0, 24 0, 27 0, 31 0, 35 Размер обломочных зерен, мм; n=53 П р о ч н о с т ь н а с ж а т и е , М П а Дисперсия Х = 0,07 Дисперсия У = 20,49 Коэф. корреляции r = -0,06 Дисперсия r = 0,14 Надежность µ = 0,42 Коэф. вариации для У = 23,85 Доверительный интервал для У = 5,63 Рис. 3 – Графическая зависимость прочности от размера зерен для шх. им. А.Г. Стаханова, Красноармейского района "Геотехническая механика" 71 Связь предела прочности на сжатие с размером зерен в песчаниках. Уч. Горловский-Глубокий y = 0,5156x + 121,51 R 2 = 0,0323 0 50 100 150 200 250 0,09 0,13 0,15 0,1 7 0,1 8 0,1 9 0,21 0,23 0,24 0,26 0,29 0,29 0,3 4 0,4 2 Размер обломочных зерен, мм; n=42 П р е д е л п р о ч н о с т и н а с ж а т и е , М П а Дисперсия Х = 0,08 Дисперсия У = 34,79 Коэф. корреляции r = 0,05 Дисперсия r = 0,15 Надежность µ = 0,34 Коэф. вариации для У = 26,23 Доверительный интервал для У = 10,84 Рис. 4 – Графическая зависимость прочности от размера зерен для уч. Горловский-глубокий, Центрального района Связь прочности песчаников с размером зерен. Уч. Самсоновский-Западный y = 0,0418x + 128,81 R 2 = 0,006 0 50 100 150 200 0, 1 0, 13 0, 15 0, 17 0, 18 0, 2 0, 22 0, 23 0, 24 0, 26 0, 27 0, 29 0, 32 0, 34 0, 4 Размер обломочных зерен, мм; n=100 П р о ч н о с т ь н а с ж а т и е , М П а Дисперсия Х = 0,08 Дисперсия У = 15,55 Коэф. корреляции r = 0,04 Дисперсия r = 0,10 Надежность µ = 0,43 Коэф. вариации для У = 11,88 Доверительный интервал для У = 3,11 Рис. 5 – Графическая зависимость прочности от размера зерен для уч. Самсоновский- Западный, Краснодонского района Связь прочности песчаников на сжатие с размером зерен. Уч. Санжаровская площадь y = 0,0877x + 77,978 R 2 = 0,0006 0 20 40 60 80 100 120 0,11 0,11 0,12 0,12 0,12 0,14 0,14 0,15 0,2 0,21 0,22 0,26 0,270,36 Размер обломочных зерен, мм; n=14 П р о ч н о с т ь н а с ж а т и е , М П а Дисперсия Х = 0,07 Дисперсия У = 14,84 Коэф. корреляции r = -0,01 Дисперсия r = 0,27 Надежность µ = 0,04 Коэф. вариации для У = 18,87 Доверительный интервал для У = 8,49 Рис. 6 – Графическая зависимость прочности от размера зерен для уч. Санжаровская площадь, Алмазного района 72 Выпуск № 83 Анализ графиков на рис. 2-6, в целом, однозначно указывает на отсутствие видимой зависимости прочности от размера обломочных зерен исследованных песчаников. Лишь прибортовой участок Северо-Родинский Красноармейского района характеризуется незначительной обратной связью, с коэффициентом парной корреляции r = - 0,29 и достаточно высокими значениями вариации (V = 33, 05 %). Таким образом, утверждение, изложенное в [3], о том, что пределы прочно- сти на сжатие и разрыв уменьшаются с увеличением крупности слагающих их зерен, идентичны таковым в [2, 4-5]. В указанных работах речь идет не о кон- кретной породе, например, песчанике, а о сравнительной прочностной характе- ристике комплекса пород: аргиллитов, алевролитов и песчаников, составляю- щих основу терригенных отложений не только Донецкого, но и других осадоч- ных бассейнов. То, что прочность песчаников, фактически не зависит от размера слагающих зерен можно отнести к отложениям среднего (и, по всей вероятности, позднего) катагенеза. Отложения раннего катагенеза пока не изучены в должной степени, но тенденция пород Красноармейского района указывает на возможно более значительную зависимость прочности от размера зерен в отложениях, например Павлоградско-Петропавловского района. Для получения ответа на этот вопрос, нужны исследования именно в данном направлении, что и планируется выпол- нить в ближайшее время. Логика данного предположения такова: чем меньше обломочное зерно, тем больше суммарная удельная поверхность всех обломоч- ных зерен, а значит выше степень (или сила) сцепления частиц с цементом и выше общая прочность. В этой логике есть слабое звено – это цемент, состоя- щий из мелких обломков слюд, пелитовых частиц полиморфного состава и кар- бонатов разных генераций. Основной вывод данной статьи в том, что при катагенетических изменениях преобразуются все составляющие цементирующей массы, а это, в конечном счете, и влияет на прочностные характеристики пород. Ведь прочность кварца, как в раннем, так и в позднем катагенезе практически не меняется. Таким обра- зом, минералогия цемента и его трансформация в катагенезе ответственны за прочностные характеристики исследованных пород. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Ломтадзе В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований. – Л.: Недра, 1990. – 328 с. 2. Геологические факторы выбросоопасности пород Донбасса / В.Е. Забигайло, А.З. Широков, И.С. Белый и др. // К.: Наук. Думка, 1974. – 271 с. 3. Забигайло В.Е., Лукинов В.В., Широков А.З. Выбросоопасность горных пород Донбасса. – К.: Наук. Думка, 1983. – 288 с. 4. Усаченко Б.М. Свойства пород и устойчивость горных выработок. – К.: Наук. думка, 1979. – 136 с. 5. Малинин С.И. Геологические основы прогноза поведения пород в горных выработках. – М.: Недра, 1969. – 192 с. 6. Алферов О.С. О закономерностях изменения прочности осадочных пород Донецкого бассейна от лито- лого-петрографических особенностей // Изв. ДГИ, ХLVI, 1965. – С.153-162.

Ähnliche Einträge