Лаборатории исследования структурных изменений горных пород – 7 лет
Наведені результати роботи лабораторії за сім років. Показані головні наукові напрямки і розробки, створені співробітниками за цей час.
Gespeichert in:
| Datum: | 2012 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2012
|
| Schriftenreihe: | Геотехническая механика |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53981 |
| 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: | Лаборатории исследования структурных изменений горных пород – 7 лет / В.А. Баранов / Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 100. — С. 231-244. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-53981 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-539812014-01-30T03:09:27Z Лаборатории исследования структурных изменений горных пород – 7 лет Баранов, В.А. Наведені результати роботи лабораторії за сім років. Показані головні наукові напрямки і розробки, створені співробітниками за цей час. Job of laboratory performances for seven years are represented. Basic scientific directions and developments done by employees for this time are shown. 2012 Article Лаборатории исследования структурных изменений горных пород – 7 лет / В.А. Баранов / Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 100. — С. 231-244. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53981 552.1.5.08.001.5 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 |
Наведені результати роботи лабораторії за сім років. Показані головні наукові напрямки і розробки, створені співробітниками за цей час. |
| format |
Article |
| author |
Баранов, В.А. |
| spellingShingle |
Баранов, В.А. Лаборатории исследования структурных изменений горных пород – 7 лет Геотехническая механика |
| author_facet |
Баранов, В.А. |
| author_sort |
Баранов, В.А. |
| title |
Лаборатории исследования структурных изменений горных пород – 7 лет |
| title_short |
Лаборатории исследования структурных изменений горных пород – 7 лет |
| title_full |
Лаборатории исследования структурных изменений горных пород – 7 лет |
| title_fullStr |
Лаборатории исследования структурных изменений горных пород – 7 лет |
| title_full_unstemmed |
Лаборатории исследования структурных изменений горных пород – 7 лет |
| title_sort |
лаборатории исследования структурных изменений горных пород – 7 лет |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2012 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53981 |
| citation_txt |
Лаборатории исследования структурных изменений горных пород – 7 лет / В.А. Баранов / Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 100. — С. 231-244. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT baranovva laboratoriiissledovaniâstrukturnyhizmenenijgornyhporod7let |
| first_indexed |
2025-07-05T05:22:17Z |
| last_indexed |
2025-07-05T05:22:17Z |
| _version_ |
1836783173572231168 |
| fulltext |
231
За час існування відділу його співробітниками видано 20 монографій, 20 ке-
рівних документів і понад 700 статей у вітчизняних і закордонних журналах та
матеріалах конференцій. Окремо слід відзачити, що в 2009 році під авторством
старшого наукового співробітника відділу В.В. Савченка та за редакцією В.В.
Лукінова вийшла з друку книжка «До глибин пізнання», яка є науково-
публіцистичним твором і присвячена історії заснування, розвитку та діяльності
відділу геології вугільних родовищ великих глибин. За матеріалами саме цієї
книжки й була підготовлена ця стаття.
Сьогодні вчені відділу геології вугільних родовищ великих глибин розши-
рюють і поглиблюють дослідження гірничо-геологічних умов розробки вугле-
газових родовищ Донбасу. Про роботу відділу можна було б писати ще багато
— і про тих, хто працює над дисертаціями, і про підготовлені до видання моно-
графії, і про зв’язки, що не уриваються, з ученими інших регіонів і країн світу, і
ще багато про те, що може з часом стати історією. Головне — відділ, попри не-
гаразди, що трапляються, працює, і остання сторінка його діяльності не написа-
на, та й навряд чи буде написана, допоки існує проблема безпечного видобутку
горючих копалин.
УДК 552.1.5.08.001.5
Лаборатория исследования
структурных изменений горных
пород, зав. лабораторией
д-р геол. наук В.А. Баранов
ЛАБОРАТОРИИ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
ГОРНЫХ ПОРОД – 7 ЛЕТ
Наведені результати роботи лабораторії за сім років. Показані головні наукові напрямки і
розробки, створені співробітниками за цей час.
LABORATORIES OF RESEARCH OF STRUCTURAL CHANGES OF
MOUNTAIN ROCKS – 7 YEARS
Job of laboratory performances for seven years are represented. Basic scientific directions and
developments done by employees for this time are shown.
Весной 2005 года в ИГТМ НАН Украины была создана Лаборатория иссле-
дования структурных изменений горных пород. В штат лаборатории входило
шесть сотрудников, во главе с заведующим, доктором геологических наук –
В.А. Барановым, который в 2000 году защитил диссертацию на тему: «Струк-
турные преобразования песчаников Донбасса и прогноз их выбросоопасности».
В процессе работы над данной диссертацией был установлен ряд законо-
мерностей, которые нуждались в дальнейшем развитии, что и послужило фун-
даментом для последующего создания нового научного направления и форми-
рования нового научного подразделения в институте.
Основа данного направления заключается в том, что все процессы, происхо-
дящие в породах вообще и в конкретном минеральном, органическом или ином
веществе, в частности, связаны с изменением структуры этого вещества. Любой
232
процесс, происходящий в веществе (физический, физико-химический, физико-
механический и т.д.), происходит с изменением структуры этого вещества. Та-
кие изменения или преобразования можно разделить на природные, происхо-
дящие без влияния человека (катагенез, метаморфизм, магматизм и т.д.) и тех-
ногенные, происходящие при воздействии человека на природную среду (гор-
ные работы, горно-перерабатывающие работы, взрывные работы и т.д.).
Выполненный на примере угледобывающей и горнорудной промышленно-
сти анализ исследования структурных превращений и связанных с этим изме-
нений свойств и состояния горных пород в разных геомеханических условиях,
показывает существенно недостаточную степень изученности такого базового
параметра, как структурные преобразования пород и минералов в стратиграфи-
ческом разрезе земной коры и влияния этого преобразования на горно-
геологические условия. Существенное увеличение глубины отработки полез-
ных ископаемых за последние десятилетия (до 1400 м и больше), объективно
свидетельствует о необходимости поиска новых геомеханических закономер-
ностей и природных явлений, их описания и последующего использования в
качестве методического и технологического обеспечения для развития горной
промышленности.
Такие техногенные процессы как выбросы горных пород, угля, соли, горные
удары и другие динамические и газодинамические явления, являются следстви-
ем горных работ и спровоцированного ими спонтанного нарушения сплошно-
сти, и разрушения исходной структуры, вплоть до пылевидного состояния. Эти
явления зависят от комплекса причин и до конца не изучены, а поскольку они
существенно влияют на безопасность работ, устойчивость горных выработок и,
в конечном счете, на стоимость получаемого продукта, планомерное изучение
их нужно продолжать с привлечением современных методов и комплекса фи-
зических приборов. Изучение структуры вещества в этой связи, является осно-
вой или отправной точкой любых дальнейших научных исследований.
В последнее время ученые многих стран работают над созданием так назы-
ваемых нанотехнологий: то есть технологий, нацеленных на изменение струк-
туры и состава вещества на молекулярном и надмолекулярном уровне, что вле-
чет за собой изменение свойств искомого вещества. Наноуровень, это 10-9 метра
или 1 нанометр, это 10 ангстрем. В качестве примеров нанотехнологий может
служить производство булатной стали, известное сотни лет и дважды переот-
крываемое в Златоусте (практическое использование дислокационной теории
еще до ее создания); получение фуллеренов и углеродных нанотрубок, которые
по прочности превосходят металлы. Интересно, что автором данной статьи и
бывшим сотрудником института Н.А. Пимоненко, фуллерены были обнаруже-
ны в выбросоопасных углях Донбасса в начале 80-х годов прошлого столетия.
Несмотря на большое увеличение (около 100 тысяч крат) с помощью отечест-
венного просвечивающего электронного микроскопа ЭМВ-100Л, и применения
методики двухступенчатой углеродной реплики, определение структуры фул-
лерена сделать было невозможно, из-за технических ограничений микроскопа.
Не смогла этого сделать и В.П. Аронскинд из Свердловского горного институ-
233
та, которая раньше нас, в конце 70-х годов, по нашим данным, первая описала
указанные образования, назвав их третьей фазой углерода и гроздьевидным уг-
леродом. Лишь в 1985 году ученые из США смогли описать структуру углерод-
ных шариков, полученных ими в копоти свечи. Они же и дали название новой
устойчивой формы углерода по имени известного архитектора – фуллерены.
Приведенные данные убедительно свидетельствуют о необходимости тех-
нического перевооружения отечественной науки и приобретения современных
приборов и оборудования. Без этого, сохранение статуса экономически и тех-
нически развитой республики невозможно.
В 80-е годы прошлого века, автором статьи было установлено явление фор-
мирования квазикристаллов в веществах различных систем, характеризующих-
ся подобием геометрических форм и размеров на разных геометрических уров-
нях (рис. 1). Квазикристаллы образуются под действием термобарических и
других источников энергии (биохимической, физико-химической, условия си-
нерезиса и др.) [1-2]. Размеры квазикристаллов меняются от микронов до мет-
ров и километров (отдельность, блоки, мегаблоки и т.д.). Если такие формы
существуют в природе, значит их можно воссоздать технологическим путем.
Причем, чем большему воздействию будет подвергаться вещество, тем более
мелкие квазикристаллы должны формироваться. Речь идет о создании новой
технологии разрушения вещества, на что, как известно, тратится огромное ко-
личество электроэнергии. Впрочем, по мнению ведущего обогатителя одного из
ГОКов Кривбасса, менять технологию хлопотно, а существующая, устраивает
руководителей. Если учесть, что около 14 % железа уходит при обогащении в
отвалы, то позиция обогатителей выглядит странно. Впрочем, условия работы
горных предприятий диктует международный рынок, отличающийся от суще-
ствовавшего планового хозяйствования, поэтому необходимо, в дальнейшем,
расширять круг потенциальных потребителей научной продукции, поскольку
прогресс остановить нельзя.
В Институте геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины
выполнен значительный объем исследований структурных изменений горных
пород, который позволил разработать новые показатели свойств угля и пород,
новые методы прогнозирования состояния пород и горного массива с точки
зрения динамических и газодинамических явлений. На основе пяти патентов и
авторских свидетельств разработан новый комплексный метод прогноза выбро-
соопасности горных пород.
Усовершенствован метод текущего прогноза выбросоопасности горных по-
род путем бурения опережающих скважин; разработан метод определения
нижней и верхней границы выбросоопасности и устойчивости горных пород;
разработан метод определения радиуса влияния скважины на выбросоопасность
углей и пород и радиуса возможной площади дегазации горного массива; раз-
работан экспресс - метод определения трещиноватости угля и пород.
234
а б
в г
Рис. 1- Квазикристаллы: а – кварц выбросоопасного песчаника; б – оконное стекло; в –
уголь Донбасса m3; г – янтарь (электронная микроскопия, ув. 2000Х)
Все эти разработки основываются на определении степени и качества струк-
турных изменений горных пород и имеют важное значение для угле- и рудодо-
бывающих отраслей.
Уже сейчас исследование структурных изменений горных пород и микро-
структур позволило установить явление образования “губчатых структур” в уг-
ле и в кварце песчаников, что может быть причиной естественного крекинга
жидких углеводородов в горном массиве (рис. 2); разработать несколько новых
показателей микронарушенности, которые связаны с выбросоопасностью по-
род; определить главные факторы образования сутурных швов в горных поро-
дах, существенно влияющих на коллекторские свойства пород (рис. 3).
В начале данного столетия отечественные геофизики совместно со специа-
листами Европы и США, выполнив сейсмостратиграфические исследования по
профилю Старобешево-Шахтерск-Луганск (профиль Добре), установили при-
чину поднятия пород Донбасса, это мантийный диапиризм, который привел к
перекосу Главной антиклинали и размыву пород в центральной части бассейна
235
мощностью около 3 км [3]. Однако фактических данных у геофизиков не было.
По этой причине, автором статьи был выполнен комплекс исследований, со-
гласно которым были получены следующие данные.
Рис. 2 - Губчатая структура в кварце карбоновых песчаников Донбасса (ув. 2000Х).
а б
Рис. 3 - Примеры структурных деформаций в кварце: а – пластическая; б – хрупкая (оп-
тика, ув. 250Х).
С запада Донецкого бассейна, на восток, наблюдается увеличение степени
уплотнения и уменьшение средних значений пористости (рис. 4-5). Наиболь-
шие значения пористости наблюдаются для западных районов (Павлоградско-
Петропавловского – ППР; Красноармейского – КР). Для отложений в Цен-
тральном районе, пористость минимальна. Немногим большая пористость (при
сопоставимых условиях) отмечается для Краснодонского и Алмазного районов,
восточной части Донбасса. В целом, восточная часть бассейна значительно бо-
лее уплотнена, чем западная.
Если учесть, что исследовались сопоставимые песчаники средней стадии ка-
тагенеза (градаций МК2-МК5), такая закономерность может быть объяснена
лишь одним фактором – усилением тектонических воздействий в этом направ-
лении [4].
236
Рис. 4 – График распределения средних значений пористости песчаников с запада на вос-
ток, по районам Донбасса.
В этой связи достаточно логично укладывается экспериментальный резуль-
тат существенного увеличения нарушенности пород Бахмутской котловины,
относительно Кальмиус-Торецкой, установленный ранее [5].
Рис. 5 – График распределения средних значений плотности песчаников с запада на вос-
ток, по районам Донбасса.
Поскольку пробы районов Донецкого Складчатого Сооружения (ДСС) от-
бирались из Московского яруса среднего карбона (для сопоставимости), можно
констатировать максимальное уплотнение отложений в Центральном районе,
что является фактом известным [6]. При рассмотрении юго-западного района
(Красноармейского) и северо-восточных (Краснодонского и Алмазного), отме-
Распределение плотности песчаников с запада на
восток по районам Донбасса
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
2,6
2,7
1 2 3 4 5 6 7
Районы: 1 - ППР; 2 - Кр.; 3 - Кр.; 4 - Центр.; 5 - Центр.;
6 - Краснодонский; 7 - Алмазный
П
ло
тн
ос
ть
п
ес
ча
ни
ко
в,
г/
см
3
Распределение средних значений пористости по
районам Донбасса
0
2
4
6
8
10
12
1 2 3 4 5 6 7
Районы и марки угля: 1 - ППР (Г); 2 - Кр. (Г,Ж); 3 - Кр.
(Г,Ж); 4 - Центр.(Ж-ОС); 5 - Центр.(Ж-ОС); 6 -
Краснод.(Г,Ж); 7 - Алм-й (К,ОС)
П
ор
ис
то
ст
ь
от
кр
ы
та
я,
%
237
чается более сильное уплотнение именно на северо-востоке бассейна. Посколь-
ку марочный состав углей (Краснодонского и Красноармейского) одинаков,
значит и условия формирования отложений были примерно одинаковы (мощ-
ность покрывающей толщи, палеотемпературы). В таком случае, остается толь-
ко степень тектонических напряжений, которая на северо-востоке была выше и
стала причиной более сильной степени уплотнения находящихся там отложе-
ний. Минимальное уплотнение пород участка Брагиновский (Павлоградско-
Петропавловский район) и отсутствие там тектонических напряжений вполне
согласуются с полученными результатами.
Средние значения предела прочности на сжатие для районов Большого Дон-
басса имеют свои особенности (рис. 6). Так, для двух участков Красноармей-
ского района прочность, примерно, в два раза выше, чем для Павлоградско-
Петропавловского и в четыре – чем для Новомосковского [7]. Для Центрально-
го района прочность, примерно, только в полтора раза выше, чем в Красноар-
мейском 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 явились след-
ствием тектонических напряжений, подобных таковым в Центральном районе,
где формировалась Главная антиклиналь.
Распределение средних значений предела прочности
на сжатие (МПа) для Донбасса (средний катагенез)
0
50
100
150
1 2 3 4 5 6
Геологопромышленные районы Донбасса:
1 - Новомосковский; 2 - Павлогр.- Петропавловский;
3- Красноармейский; 4 - Центральный; 5 -
П
ро
чн
ос
ть
н
а
сж
ат
ие
,
М
П
а
Рис. 6 – График распределения средних значений предела прочности на одноосное сжа-
тие песчаников по районам Донбасса с запада на восток
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. По этой причине, наложившаяся на катагенети-
238
ческие преобразования тектоника, внесла существенные коррективы в свойства
горных пород, что и отразилось при изучении их прочностных параметров.
Таким образом, серия работ геологического характера, с использованием
фактических материалов, проб песчаников из разных районов Донбасса, под-
тверждают новую гипотезу или модель строения ДСC, предложенную геофизи-
ками, выполнившими значительную комплексную работу по указанному ре-
гиону. По этой причине, в настоящее время, вместо абстрактной инверсии от-
ложений исследуемого угольного бассейна, правильнее говорить и писать о
мантийном диапире, внедрившемся снизу в терригенные отложения в ранне-
пермское время на северо-востоке региона, что привело к «перекосу» Главной
антиклинали (ее северное крыло стало более пологим), смятию в складки и
размыву верхних интервалов отложений, развитию зон повышенной трещино-
ватости, где часто скапливается метан в свободном состоянии.
Кроме перечисленных результатов, в лаборатории выполняется и ряд других
исследований ее сотрудниками, о чем будет сказано ниже. В настоящее время в
лаборатории работает пять сотрудников, все геологи по образованию (рис. 7)
Рис. 7.- Сотрудники лаборатории, слева направо, внизу: В.А. Баранов, Л.Ф. Маметова;
вверху: Д.В. Яцина, О.А. Карамушка, П.С. Пащенко
Людмила Федоровна Маметова работает в институте с 1992 г, ранее работа-
ла в геологических экспедициях. В 2008 году подготовила кандидатскую дис-
сертацию на тему: «Структурно минералогические преобразования газоносных
песчаников Донбасса», которую защитила в 2011 г.
Она успешно развивает направление в научных исследованиях, касающееся
петрографии осадочных, метаморфических и магматических пород, включая
изменение минералогического состава, структурных параметров, свойств и со-
239
стояния терригенных и эпигенетически измененных отложений в разных геоло-
гических условиях и на разных стадиях их преобразований.
Одним из аспектов геологической науки, имеющих важнейшее практиче-
ское значение для горнодобывающей промышленности, является изучение
структурних преобразований минералов как показателей физического состоя-
ния массива пород.
Благодаря детальным петрографическим исследованиям породообразующих
минералов таких как: кварц, полевые шпаты, слюды и другие, находящихся в
осадочных, метаморфических и магматических комплексах, определяется хара-
ктер деформаций, возникших синхронно с тектоническими процессами в со-
провождении реакций растворения одних минералов и образования других.
Кварц – наиболее распространенный минерал среди пород, обладающий анизо-
тропными свойствами, реагирующий на тектонические воздействия измене-
ниями структуры. Первыми фиксируют пластические микродеформации оди-
ночные или системные плоскости скольжения, названые бёмовскими (по имени
первооткрывателя Августа Бёма). Благодаря разной ориентировке бёмовских
полосок, расшифровываются условия деформации: растяжение, сжатие, сдвиг,
их чередование. Комбинации бёмовских полосок с другими типами создают
благоприятные условия для трещинообразования. На основании анализа рас-
пространения определенных типов микронарушений структуры кварца – одно-
го из ведущих минералов песчаников угленосной толщи – установлена их
взаимосвязь и согласованность с тектонической структурой, этапами развития
Донецкого бассейна.
Такие типы микродеформаций как дуги и блокование возникли в период
прогибания и формирования палеорифта, а также характерны для синклиналей.
Иррациональные двойники и пластины деформации сопровождают поднятие
бассейна и свойственны антиклиналям. Максимально проявились эти типы в
период интенсивного сжатия (воздымания) в центральной части. Как поздние
типы рассматриваются грануляция, сутуро-стилолитовые швы и мозаичность.
Они развиваются по всех ранее названых микродеформациях структуры, их по-
явлению способствует тектоническое напряжение. Деформационные процессы
стимулируют обменные геохимические реакции, индикаторами которых в оса-
дочном комплексе являются кальцит и сидерит. Последний легко гидролизиру-
ется с образованием неустойчивых соединений, а при наличии рассеянных ор-
ганических веществ, СО2 и их окислении – возникает угольная кислота. Нару-
шение равновесия в результате активизации тектонических процессов способ-
ствует неоднократному растворению и появлению новых генераций минералов
(2 и 3-я генерация кальцита, регенерационные каемки кварца, 2-я генерация ка-
олинита, сидерита, пирита), которые во взаимодействии влияют на газонос-
ность песчаников каменноугольной толщи. В результате выполненных иссле-
дований установлено следующее.
Наиболее перспективными для газонакопления являются постседиментаци-
онные преобразования песчаников угленосной толщи на средней стадии ката-
генеза. В синклиналях условия растяжения способствуют увеличению пористо-
240
сти в нижней части слоя (преобладают деформации типа дуговых, блокования)
с консервацией газа верхней сжимающейся частью слоя песчаников. В услови-
ях сжатия, особенно многоактного, преимущество принадлежит таким типам
микродеформаций структуры как иррациональные двойники, пластины дефор-
мации, сопровождающихся уменьшением пористости, но возрастанием трещи-
новатости. В антиклиналях те же условия способствуют фильтрации газа из
нижних горизонтов в верхние, с обратным знаком. Установленные системы ми-
кронарушености структуры кварца в углевмещающих песчаниках Донбасса
воспроизводят условия и типы деформации, которые влияют на пористость
песчаников, на возникновение трещин в угленосной толще. Кроме того, опре-
деление угловой разницы между системами микронарушений позволяет на ка-
чественном уровне оценить физическое состояние горного массива, что можно
использовать для прогнозирования повышения безопасности труда горняков, и
в комплексе с другими методами, позволяет прогнозировать образование лову-
шек свободного газа. Научные результаты такой работы позволяют определять
интенсивность преобразований песчаников разных геолого-промышленных
районов, а корреляция состава газов из включений в кварце и кальците, сделать
вывод – газоносность терригенных отложений Донбасса формировалась и про-
должает формироваться прерывно-непрерывно как результат многофакторных
процессов, которые происходили в истории геологического развития бассейна и
его отдельных участков.
Применение петрографических исследований структурно-минералогических
преобразований пород, способов определения количества тектонических дви-
жений (патент Украины № 34397) и типов деформаций (патент Украины
№51207) на практике позволяет поэтапно реконструировать геодинамический
характер развития любой терригенной толщи в разных регионах и не ограничи-
вается угледобывающей промышленностью, а также предоставляет возмож-
ность определить вероятные антиклинальные структуры как потенциальные
ловушки газа.
С приходом Павла Сергеевича Пащенко после окончания Днепропетровско-
го горного университета в 2002 г связан этап перехода всех сотрудников лабо-
ратории на работу с применением персональных компьютеров. Данный переход
был связан с определенным обучением сотрудников основам работы на ПК с
применением разных программ, к чему П.С. Пащенко проявил хорошие спо-
собности. В 2008 году он подготовила кандидатскую диссертацию на тему:
«Влияние геологических факторов на газообильность горных выработок», ко-
торую защитил в 2011 г
Одним из направлений, которым занимается лаборатория исследования
структурных изменений горных пород, является изучение литологических и
структурных факторов влияющих на формирование зон скопления метана в уг-
леносных отложениях.
Для установления этих литологических и структурных параметров опреде-
ляющих формирование зон скопления метана были разработаны способы их
определения. Теоретические разработки опробованы на шахтах Донецко-
241
Макеевского геолого-промышленного района. На основании проведенных ис-
следований решена практическая задача: обоснование основных геологических
факторов, комплексный учет которых позволит прогнозировать зоны скопления
метана для последующей дегазации и промышленного использования метана.
В качестве исследовательских полигонов были выбраны шахты им. А.Ф. За-
сядько и им. М.И. Калинина, расположенные в одном районе, но добывающие
уголь на разных стратиграфических уровнях. На шахте им. А.Ф. Засядько до-
бывают уголь в отложениях среднего катагенеза, с существенной газоносно-
стью пород, их выбросоопасностью, а на шахте им. М.И. Калинина – в отложе-
ниях позднего катагенеза, с низкими коллекторским свойствами песчаников и
отсутствием их выбросоопасности.
В результате исследований выделено три основных геологических фактора
(усредненные локальные структуры, палеопотоки, трещиноватость углепород-
ного массива) и определено их влияние на формирование зон скопления сво-
бодного метана с последующей дегазацией как подземными так и поверхност-
ными скважинами. Доказано, что с увеличением значений указанных геологи-
ческих факторов возрастает и газообильность горных выработок.
Разработанные Методические основы определения таких факторов, как ус-
редненные локальные структуры и трещиноватость, в сочетании с разработан-
ным ранее в ИГТМ НАН Украины методом выделения стрежневых участков
палеопотоков песчаников, позволяют детализировать объект исследования,
охарактеризовать литолого-фациальные и структурные факторы углепородного
массива и, в комплексе, определять наиболее благоприятные зоны скопления
метана.
Разработанный и обоснованный комплексный подход к выделению потен-
циальных зон скопления метана в стратиграфическом интервале горных пород,
показал высокую сходимость расчетных и фактических данных. Установлено
влияние выделенных основных геологических факторов на формирование зон
скопления метана в угленосных отложениях, соответственно: усредненные ло-
кальные структуры – 35 %, палеопотоки – 39 %, трещиноватость – 26 %. На ос-
новании полученных результатов предложен комплексный подход к прогноз-
ной оценке зон скопления метана для предварительной и последующей дегаза-
ции, и повышения безопасности работ горняков. На указанные разработки по-
лучены патенты Украины №34472 и №41696.
Данные методы и комплексное их использование позволит более надежно
решать проблемы дегазации угольных шахт Донбасса, обеспечивать не только
безопасное ведение горных работ, но и осуществлять промышленную добычу
метана. Для оптимизации дегазации углепородного массива как поверхностны-
ми, так и подземными дегазационными скважинами, а так же для их продук-
тивной и продолжительной работы, важное значение имеет заложение этих
скважин в зонах скопления метана. Под действием геологических процессов
метан неравномерно распределяется как по площади, так и по глубине, образуя
природные зоны скопления метана. Изучение и типизация природных условий,
и геологических факторов, ведущих к формированию зон скопления газа, по-
242
зволит выделять оптимальные участки в разных геолого-тектонических услови-
ях, для последующего вскрытия их бурением.
Ольга Александровна Карамушка пришла в институт после окончания НГУ
в 2004 году. Направление ее исследований связано с нарушенностью пород и
угля, выявлением новых качественных и количественных закономерностей
структурных преобразований угля в трещиноватых зонах, исследованием фор-
мирования блочности, ее иерархичной подчиненности с возможностью после-
дующего прогнозирования определенных типов и размеров нарушений на но-
вых участках разведки или шахтных полях. Для определения критериев выде-
ления нарушенных зон в угольных пластах по микроструктурным параметрам
углей используются оптический и термический методы.
На основе установления закономерностей структурных преобразований угля
в нарушенных зонах угольных пластов с помощью оптического метода – фор-
мирования отдельностей (квазикристаллов) угольного вещества в зонах текто-
нических нарушений, разработана методика выделения нарушенных зон по
микроструктурным параметрам угля. В результате выполненных исследований
на базе применения этой методики на качественном уровне определено, что:
превышение среднего значения содержания отдельностей на 1-5 % и более в
пробах характерно для области развития сжимающих усилий, например, надви-
гов, а содержание отдельностей в пробах в пределах 2 % – для области развития
растягивающих усилий, например, сбросов. Для определения типа нарушения
по критерию количества отдельностей в пробе необходимо проведение деталь-
ных исследований на большом объеме фактического материала – пробах, ото-
бранных непосредственно в зонах нарушения. Такие работы являются предме-
том дальнейших исследований.
Для установления степени нарушенности выделенных зон в угольных пла-
стах выполнен расчет коэффициента интенсивности зон нарушенности (Кизн),
который определяется как произведение ширины зоны с повышенным содер-
жанием отдельностей и максимального значения количества (содержания) от-
дельностей, определенных в пробах, отобранных из исследуемой зоны. Этот
коэффициент (Кизн) отражает закономерное увеличение интенсивности зон на-
рушенности при приближении к сместителю нарушения. На данную разработку
получен патент Украины № 41111.
Разработана методика выделения подзон в нарушенных зонах угольных
пластов, основанная на определении коэффициентов формы отдельностей угля,
построении соответствующего графика по значениям этих коэффициентов, вы-
делении подзон развития крупноамплитудных нарушений угольных пластов в
зависимости от амплитуды нарушения и расчете коэффициентов вариаций
средних значений коэффициентов формы. На данную разработку получен па-
тент Украины № 40685. Для проведения термических исследований О.А. Кара-
мушка освоила дериватограф Q-1000, а поскольку уголь при высоких темпера-
турах горит и исследовать его невозможно, была усовершенствована методика
проведения термических исследований угля. На данную разработку получен
патент Украины № 85107.
243
Согласно методике в качестве инертного вещества применяется кварцевый
песок (содержание кварца – 96-97 %), предварительно промытый в чистой воде
и прокаленный на огне. Песок – легко подготавливается к анализу и не требует
каких – либо особых условий, как, например, инертный газ при проведении
термического исследования угля. Использование песка не влияет на характер
протекания процесса нагревания угольного образца, но в то же время препятст-
вует проникновению атмосферного воздуха к углю, образованию огня в тигле и
загрязнению пространства вокруг прободержателя, что позволяет получить на-
дежные и достоверные дериватограммы угольных образцов.
Для установления взаимосвязи между региональными, локальными законо-
мерностями изменения нарушенных зон угленосной толщи и микроструктур-
ными деформациями угля выполнены исследования указанных закономерно-
стей для отдельных геолого-промышленных районов Донецкого угольного бас-
сейна. При этом определялись параметры тектонических блоков, образованных
разрывными нарушениями, и отдельностей (на микроуровне) - коэффициенты
формы и их средние размеры.
В результате для Донбасса построена следующая иерархия (цепочка) сред-
них размеров тектонических блоков и отдельностей пород с целью прогноза
нарушенности разных уровней: 0,0055 мм – 0,0123 мм – ? – 0,083 мм – 0,170 мм
– ? – 4,5 мм – ? – 65 м – ? – 313 м – 531 м – 1389 м – 3145 м – 9548 м. В данной
цепочке отсутствуют некоторые значения средних размеров (знаки вопросов)
блоков и отдельностей пород, которые, по нашему мнению, кратны 2 – 3 (что
видно из фактических данных и распределения М.А. Садовского, 1979) и ло-
гично встраивались бы в эту иерархию при наличии необходимых данных.
Данное деление значений средних размеров блоков и отдельностей пород на
уровни будет корректироваться по мере поступления новых данных о нарушен-
ности пластов пород отдельных геолого-промышленных районов, шахт и уча-
стков разведки Донбасса. Полученные результаты являются основой для разра-
ботки методики прогноза нарушенных зон угленосной толщи, в интерпретации,
от выходящих на поверхность крупноамплитудных нарушений до малоампли-
тудных, находящихся на глубине. Все полученные результаты и разработанные
методики можно использовать для определения структурно-нарушенных зон
развития от мало- до крупноамплитудных нарушений в породных толщах раз-
личного состава. В 2008 году О.А. Карамушка подготовила диссертационную
работу на тему «Структурные критерии выделения нарушенных зон в угольных
пластах Донбасса».
Дмитрий Валериевич Яцина в 2011 году закончил НГУ, но в лаборатории
работает несколько лет. За это время он освоил методики изготовления шли-
фов, аншлифов, угольных брикетов для определения отражательной способно-
сти, шлифов из угля и аргиллитов. Его творческие интересы лежат в области
исследований минералогии рудных полезных ископаемых, залегающих в маг-
матических и метаморфических породах.
Таким образом, за весь период работы лаборатории, с 2005 года, ее сотруд-
никами опубликовано 80 публикаций, включая 11 патентов. Сотрудники лабо-
244
ратории приняли участие в 6-и международных научно-практических конфе-
ренциях. Защищено 2 кандидатские диссертации, подготовлена одна кандидат-
ская диссертация.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баранов В.А. Квазикристаллы в кварце песчаников Донбасса // Геотехническая механика, 1998. - №10.-
С.35-40.
2. Баранов В.А. Условия формирования квазикристаллов // Сб. научн. тр. НГАУ, 1998. - №3, Т.2.- С.218-
221.
3. Стовба С.Н., Толкунов А.П., Стифенсон Р.А., Байер У., Майстренко Ю.П. Глубинное строение Донецко-
го складчатого сооружения по данным региональных работ МОГТ на профиле ДОБРЕ-2000 // Науковий вісник
НГАУ, 2002. - №4. – С.81-84.
4. Баранов В.А. Влияние структуры на пористость песчаников Донбасса // Геотехническая механика, 2010 -
№.88 - С.70-76.
5. Баранов В.А. Региональная прогнозная оценка нарушенности горных пород / В.А.Баранов, П.Н. Калаш-
ник // Материалы междунар. конф. „Форум гірників – 2008”. – Дніпропетровськ, НГУ-С.24-28.
6. Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР. – М.: Госгеолтехиздат, 1963. – Т.1. – 1210 с.
7. Баранов В.А. Влияние структуры на прочность песчаников Донбасса // Геотехническая механика, 2009. -
№83.- С.66-72.
УДК 622.831.24.001.5
Отдел управления динамическими
проявлениями горного давления,
зав. отделом, д-р техн. наук Ю.И. Кияшко
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТ В
ОТДЕЛЕ УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИМИ ПРОЯВЛЕНИЯМИ
ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ
У статті надано стислий огляд історії відділу. Наведено результати наукових розробок
співробітників відділу стосовно дослідження десорбційних процесів у мікроструктурі вугі-
льної речовини, хвильової та вібраційної дії, математичного моделювання зв’язаних процесів
фільтрації метану і зміни напружено-деформованого стану вуглепородного масиву навколо
гірничої виробки, фізичного моделювання газодинамічних явищ та впливу людського факто-
ру на технологічні процеси вуглевидобутку.
THE BASIC WORK ASSIGNMENTS IN
DEPARTMENT OF CONTROL DYNAMIC INFLUENCE OF MINING PRES-
SURE
In the work review of history of department is given. The results of scientific developments of
employees of department are resulted in relation to research of desorbing processes in the micro-
structure of coal matter, wave and vibration action, mathematical design of the linked processes of
filtration of methane and change the tensely deformed state of rock and coal massive round the
mountain making, physical design of the gas and dynamic phenomena and influencing of human
factor on the technological processes of the coal mining.
История создания отдела. История создания отдела управления динамиче-
скими проявлениями горного давления начинается с 1967 года. Группа отдела
механики горных пород под руководством Зорина А.Н. занималась в этот пери-
од исследованиями физико-механических свойств выбросоопасных горных по-
род, в том числе и реологических. А также изучением напряженно деформиро-
ванного состояния выбросоопасного породного массива аналитически и в
|