Научные труды ДонНТУ. Серия: Горно-геологическая

ISSN 2073-9575

Наукові праці Донецького національного технічного університету

Серія:

«Гірничо-геологічна»

№ 1(20)’2014

Міністерство освіти і науки України Державний вищий навчальний заклад

«Донецький національний технічний університет»

Наукові праці Донецького національного технічного університету

Серія: «Гірничо-геологічна»

Всеукраїнський науковий збірник

Заснований у грудні 1999 року

Виходить 2 рази на рік

№ 1(20)’2014

Донецьк – 2014

УДК 622+55(06)

Друкується за рішенням Вченої ради державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет» (протокол №7 від 26.09.14).

У збірнику наведено результати наукових досліджень у галузі сучасних розробок розвідки родовищ корисних копалин, маркшейдерської справи і геодезії та ін. Розглянуто деякі питання і досягнення у галузі геологічних наук, будівництва шахт та підземних споруд, буріння свердловин у складних умовах.

Розрахований на фахівців гірничо-геологічного профілю, а також аспірантів та студентів відповідних спеціальностей. Засновник та видавець – Донецький національний технічний університет Редакційна колегія: д-р техн. наук Є. О. Башков (головний редактор), д-р техн. наук О. I. Калініченко (заступник головного редактора), канд. техн. наук В. Ф. Формос (відповідальний секретар), д-р техн. наук С. В. Борщевський, д-р техн. наук Ю. Ф. Булгаков, д-р техн. наук М. М. Грищенков, д-р техн. наук М. П. Зборщик, д-р техн. наук В. В. Левіт, д-р техн. наук С. В. Подкопаєв, д-р техн. наук М. Р. Шевцов, д-р техн. наук С. Г. Могильний, д-р техн. наук Ю. М. Гавриленко, д-р техн. наук Ю. Ф. Креніда, д-р техн. наук А. А. Шоломицький, д-р геол. наук В. І. Альохін, д-р геол.-мін. наук В. О. Корчемагін, д-р геол.-мін. наук Є. М. Шеремет, д-р геол.-мін. наук Т. П. Волкова, д-р геол. наук В. О. Привалов, д-р техн. наук М. В. Бондаренко, д-р техн. наук М. І. Васильев, д-р техн. наук О. М. Давиденко, д-р техн. наук Я. С. Коцкулич, д-р техн. наук В. В. Куліков, д-р техн. наук М. І. Ніколаєв, д-р техн. наук М. В. Соловйов, д-р техн. наук В. Г. Гуляєв, д-р техн. наук А. К. Семенченко, д-р техн. наук В. П. Кондрахін, д-р техн. наук Ф. Л. Шевченко, д-р техн. наук Г. М. Улітін, канд. техн. наук А. А. Каракозов, канд. техн. наук Б. А. Лисіков, канд. техн. наук В. В. Мирний.

Збірник зареєстрований в Державному комітеті інформаційної політики, телебачення та радіомовлення України. Свідоцтво: серія КВ №7370 від 03.06.2003. Збірник включено до переліку наукових фахових видань України, в яких можуть публікуватися результати дисертаційних робіт на здобуття наукових ступенів доктора і кандидата наук (затверджено постановою президії ВАК України № 1-05/1 від 10.02.2010., надруковано в бюлетені ВАК №3, 2010; та постановою президії ВАК України № 1-05/2 від 10. 03. 2010., надруковано в бюлетені ВАК №4, 2010).

Автори статей, 2014 ISSN 2073-9575 ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», 2014

ISSN 2073-9575. Наукові праці ДонНТУ. Серія «Гірничо-геологічна». № 1(20)'2014. С. 3-7

3

Л. І. Лутугін – поет і натхненний скульптор Донецького басейну

(До 150-річчя з дня народження)

Видатний дослідник надр Донецького басейну Лутугін Леонід Іванович народився в небагатій купецькій сім'ї 4 березня 1864 року в м. Петербурзі. Середню освіту здобув у реформатському училищі і після двохрічної підготовки вступив у Петербурзький Гірничий інститут, який закінчив за першим розрядом в 1889 р.

Після закінчення Гірничого інституту молодий талановитий геолог був направлений на роботу в Геологічний комітет – тоді єдиний урядовий заклад, який займався вивченням геології та корисних копалин. Уже за перші геологічні дослідження вододілу між верхів’ями рік Печори и Вичегди Лутугіну Л. І. була присуджена велика срібна медаль. Але найважливіша доленосна робота Леоніда Івановича розпочалася влітку 1892 року в Донецькому басейні, спочатку під керівництвом Ф. М. Чернишова, а з 1897 р. самостійно. Тому ім’я Лутугіна Л. І., як вченого і геолога-новатора, нерозривно пов’язане із створенням першої детальної геологічної карти Великого Донбасу та заснуванням всесвітньо відомої донецької школи геологів-вугільників.

Детальна геологічна карта Великого Донбасу – вінець наукової творчості Л. І. Лутугіна Його титанічна праця в Донецькому басейні є прикладом життєвого подвигу та інновацій

стосовно методики польових досліджень, виконаних картопобудов, комплексної оцінки вугільних басейнів, раціонального видобування та використання вугілля. Тим більше прикро, що саме в 2011 році в період абсолютної централізації виконавчої влади в Україні вихідцями з Донбасу та їхніми київськими васалами і з мовчазної згоди чиновників від геології була скасована галузева нагорода – медаль ім. Л.І. Лутугіна. Але зараз важливо не тільки віддати належне генію вугільної геології з приводу його 150-річного ювілею, а, перш за все, відновити моральні цінності і стимули в галузі геології та надр, надати статусу державних основним галузевим нагородам і забезпечити стале функціонування державних регіональних геологічних підприємств та галузі в цілому. Саме в цьому нас переконує громадянський та науковий приклад Леоніда Івановича, як беззавітного патріота і сподвижника.

© М. В. Жикаляк, 2014


4

В 1892 році Гірничий департамент на вимогу гірничих промисловців півдня Росії запропонував Геологічному комітету провести в Донбасі детальне картування кам’яновугільних відкладів для точної документації і дослідження вугільних пластів всього басейну та підрахунку запасів вугілля. Детальна геологічна зйомка Донецького басейну була доручена Ф.М. Чернишову, Л.І. Лутугіну та М.І. Лебедєву під загальним керівництвом Ф.М. Чернишова. Топографічною основою для даної роботи була прийнята одноверстна карта (масштаб 1:42000) з горизонталями через чотири сажені та допоміжними через дві сажені. При цьому Донецький басейн був розділений на 65 планшетів площею біля 420 квадратних кілометрів кожний]. Л.І. Лутугін розпочав роботи в 1893 р. на півночі Донбасу в районі м. Лисичанськ, а М. І. Лебедєв в басейн р. Кальміус південніше ст. Рутченково.

Природна відслоненість корінних порід в Донбасі з характерними виходами пластів вугілля вздовж широко розвиненої мережі балок і річок та виступаючі кам’янисті гривки вапняків і щільних пісковиків на вододілах між ними давали багатий фактичний матеріал для геологічного картування, дослідження і пізнання Великого Донбасу. Лутугін Л.І., ретельно вимірюючи і досліджуючи відслонення кам’яновугільних порід, виносив їх на топографічну карту з відображенням елементів гірничої геометрії, просліджував одні і ті ж пласти від відслонення до відслонення, від балки до балки та відтворював в моделі складну геологічну будову ділянки, площі або району, обов’язково доповнюючи карту виходів пластів системними геолого-маркшейдерськими спостереженнями в підземних гірничих виробках. Виконані дослідження і побудови були наскільки точними, що коли пізніше, в радянські часи, виконувалася детальна інструментальна геологічна зйомка промислових районів Донбасу в масштабі 1:5000, тільки в окремих випадках відмічались розходження не більше 0,5-2 м в нанесенні маркуючих горизонтів у порівнянні із геологічними картами, складеними Л.І Лутугіним та його співробітниками [2,4].

В кінці 1894 р. М.І. Лебедєв покинув Донецький басейн. До детальної геологічної зйомки був залучений М.М. Яковлєв, якому було доручено дослідження верхнього карбону, строкатокольорових пермокарбонових та хемогенних пермських відкладів. В складі цього верхньопалеозойського комплексу М.М. Яковлєв виділив чотири світи, з яких дві нижні - араукаритову і мідістих пісковиків як перехідні від карбону до пермі він відніс до пермокарбону, а вапняково-доломітову і соленосну світи – до нижньої пермі.

На VII Міжнародному Геологічному конгресі вперше були продемонстровані результати детальної геологічної зйомки Донецького басейну. Ф.М. Чернишов та Л.І. Лутугін всю 12-кілометрову товщу донецького карбону розчленували на три відділи, а кожний відділ на світи. Нижній відділ був розчленований на сім світ (С1

1-С17), середній на шість (С2

1-С26), а верхній на три

(С31-С3

3). За підошву кожної світи були прийняті характерні потужні вапняки, які зазвичай легко пізнаються в полі. При цьому граничні та внутрішньосвітні вапняки були позначені заголовними, а вугільні пласти строчними латинськими буквами.

За майже 22 роки геологічних досліджень Донецького басейну Л.І. Лутугін разом із своїм помічником спадковим лисичанським шахтарем М.С. Горловим обійшов більшу частину Великого Донбасу біля 22000 квадратних кілометрів, встиг вивчити 200 пластів і 20 прошарків вугілля [3,4].

Лутугін Л.І. розробив всесвітньо відому комплексну методику геологічної зйомки (картування) вугленосних товщ, яка зараз називається донецькою або лутугінською. Створив вітчизняну школу геологів-вугільників (П.І. Степанов, В.І Яворський, О.О. Гапєєв, Б.Ф. Меферт, В.І Соколов та інші), а вугільну геологію обґрунтував як прикладну науку [4].

На основі досліджень Л.І. Лутугіна та вже оформлених карт виходів вугільних пластів на замовлення Ради гірничих підприємців півдня Росії була складена оглядова геологічна карта Донецького басейну в масштабі 1:126000, яка в оригіналі демонструвалась в 1911 р. на Міжнародній Туринський виставці. За складання цієї карти Леоніду Івановичу була присуджена велика золота медаль [1,2].

Видання підготовлених планшетів детальної геологічної карти масштабу 1:42000 розпочалося в 1910 р. За 1910-1915 роки було опубліковано вісім детальних планшетів з пояснювальними текстами на зворотній стороні геологічних карт. Перша світова війна затримала видання всіх планшетів і зведених порайонних записок, і тільки в 1927-1931 роках учні та послідовники Л.І. Лутугіна змогли опублікувати решту планшетів, які були підготовлені під його керівництвом.


5

Аналізуючи збережені комплекти цих детальних геологічних і топографічних карт, віддаєш належне не тільки високому професіоналізму їх авторів та скрупульозності відображення окремих деталей і елементів, а переконуєшся, що карти є безцінним історичним, науковим та культурним надбанням світового значення. Детальність проведення основних горизонталей через чотири сажені, допоміжних – через дві та деталізійних – через одну сажень дозволяє розглядати топографічну основу до лутугінських геологічних карт в якості базової історичної довідки стану земної поверхні Донбасу на початку його промислового освоєння. З врахуванням непорушеності ґрунту і незначної забудови поверхні великої історичної цінності набувають закартовані триагуляційні і топографічні пункти, кургани, джерела і колодязі, шурфи і перші бурові свердловини, хутори та шахти з розподілом за паровим, кінним або ручним підйомними механізмами тощо. Уже зараз в районах інтенсивного видобування вугілля і підтоплених територій електронні копії детальних топографічних карт та карт виходів пластів, складених в 1910-1915 роках, можна переводити в метровий формат і співставляти їх із горизонталями та станом поверхні в передвоєнний період і теперішній час.

Новатор інженерної геології та гірничої справи

Л.І. Лутугін, як активний працівник науково-технічної комісії Товариства гірничих інженерів та редактор Вістей цього товариства, популяризував передові новаторські ідеї з прикладної геології та гірничої справи. Вивчаючи умови формування вугільних родовищ і пластів, пояснював часту циклічну зміну порід у вугленосній товщі коливальними рухами земної кори та встановив залежність якості вугілля від ступеня його метаморфізму (катагенезу порід).

Складена в 1911 р. оглядова геологічна карта Донецького басейну в масштабі 1:126000 дозволила також підійти до вирішення інших надзвичайно важливих проблем вугільної геології. Л.І. Лутугін вважав, що дослідження вугільної речовини вугільних пластів повинні здійснюватись в тісному взаємозв’язку із детальним геологічним вивченням вугільних родовищ, площ та басейну в цілому. Тому в 1912 р. він представляє в Гірничий департамент доповідну записку «Організація дослідження вугілля Донецького басейну», в якій детально розробляє методику відбору і підготовки проб, програму хімічних досліджень, елементарного та технічного аналізу вугілля, золи і коксу, визначення форм сірки та легких компонентів.

Л.І. Лутугін не раз відмічав, що сама природа Донбасу підказала ключ до скарбів своїх надр. Перш за все, він звернув увагу на періодичне повторення порід донецького карбону, яке проявляється в закономірному перешаруванні вапняків, пісковиків, сланців та вугілля і на те, що найбільш витриманими і постійними за потужністю є вапняки і пласти вугілля. Ніде, ні в одній країні, невідомо до сих пір подібного за тривалістю та повнотою суміщення морських і континентальних осадів, який спостерігається в Донецькому басейні. На підтвердження цього старий вчитель Л.І. Лутугіна – академік О.П. Карпінський – відмічав, що в Донецькому басейні ми маємо єдиний неповторний історичний документ, який ведеться послідовно і безперервно самою природою через весь кам’яновугільний період, документ, розпочатий ще до наступу цього періоду та завершений після його закінчення.

В умовах, коли абсолютна більшість видобутого в Донбасі коксівного вугілля промисловцями використовувалась для енергетичних цілей або як моторне паливо в паровозах, Л.І. Лутугін виступив з критикою, заявивши, що Донецький басейн експлуатується без врахування його природних особливостей і наявних запасів вугілля і, що найбільш дефіцитні марки в майбутньому будуть виснажені. Тому, на його думку, необхідно ввести громадський контроль за видобуванням вугілля в Донбасі.

Багато вугільних шахт-рудників, приречених на вимирання, Лутугін Л.І. після ретельного геологічного дослідження, точних та обґрунтованих рекомендацій повертав до життя, до активної експлуатації і рентабельного вуглевидобутку. Так, на заяву одного шахтовласника, що на його руднику закінчився донецький вугільний пласт, Леонід Іванович відповів, що його інженери брешуть і що донецькому вугіллю кінця не видно. Одночасно він пообіцяв, що втрачений пласт обов’язково знайде і знайшов його продовження після розлому на незначній глибині всього за чотири дні [4]. Причому із ще більшою потужністю в один сажень (1,067 м).

Незважаючи на протидію донецьких вугільних промисловців, авторитет Л.І. Лутугіна зростав з кожним роком, і тому незабаром він зробився незамінним геологом-експертом. При цьому свої висновки та рекомендації він завжди надавав безплатно. В результаті створилася така


6

ситуація, коли банки Донбасу не видавали грошей гірничим промисловцям без висновку Лутугіна Л.І. та без його підпису, який засвідчував благонадійність того чи іншого вугільного родовища [3].

В останні роки життя, зважаючи на величезний авторитет, надзвичайно фахові і точні висновки та рекомендації Л.І. Лутугіна неодноразово запрошували до складу правління того чи іншого вугільного підприємства. Але оскільки в своїй геологічній роботі він завжди був поза будь-якими чисто грошовими інтересами, то добродушно віджартовувався: «Нет, уж увольте, - говорил он одному крупному промышленнику, - жить мне осталось недолго, наворовать я много не успею, а некролог себе испорчу…».

От якби була можливість завчасно ознайомлювати з цими словами всіх керівників та чиновників від геології, особливо, за останні 10 років, коли послідовно вітчизняна геологічна галузь доводилась ними до самознищення, а колективи геологів до рабського існування. Але на превеликий жаль зараз маємо те, що маємо. Проблема цивілізації еліт характерна в Україні не тільки для галузі геології та надр, але і для всього чиновницького апарату, як загальнодержавного, так і регіонального та місцевого рівнів.

Натхненна праця Л. І. Лутугіна в сфері геології вугільних родовищ не обмежувалась межами Донецького басейну. Він досліджував Ткварчельське родовище вугілля на Кавказі, відвідав та встановив велике тектонічне порушення на Тквибульському родовищі, ознайомився з вугільними родовищами східного схилу Уралу і, так званого, Киргизького степу. В останні неповні два роки життя до самої кончини в ніч з 16 на 17 серпня 1915 року, Л. І. Лутугін тісно пов’язав свою геологічну долю з Кузнецьким басейном, де в нових умовах застосував свою методику та весь величезний досвід, накопичений в Донецькому басейні. Це дало змогу вже після другого сезону досліджень обґрунтувати збільшення запасів вугілля в Кузбасі в 20 разів по відношенню до раніше виконаних оцінок [4].

Підсумовуючи викладене, з впевненістю можна стверджувати, що Л. І. Лутугіним закладені підвалини та базові принципи моніторингу вуглевидобування в Донбасі. А враховуючи високий професіоналізм, глибокі знання особливостей геологічної будови окремих родовищ і районів, чесність та активну громадянську позицію, його без сумніву можна вважати не тільки головним дослідником надр Донбасу, але і першим аудитором та супервайзером раціонального промислового освоєння Донецького басейну.

Геолог за професією та демократ за переконаннями

Л.І. Лутугін був не тільки видатним геологом світового рівня, але і великим громадським діячем. Його часто називали вченим-геологом з людяним серцем. Він ненавидів самодержавство, царських чиновників, пригнічення трудового люду та інтелігенції, сковування їх творчих сил і світогляду. На протязі всього життя відкрито висловлював і захищав свої демократичні погляди. Під час викладання з 1897 до 1904 р. в Петербурзькому гірничому інституті курсу історичної геології разом із прогресивною частиною професорів інституту Л. І. Лутугін непохитно підтримував справедливі вимоги студентів, які боролися за демократизацію та свободу вищої школи.

В знак протесту проти придушення студентського руху в інституті та звільнення 50 студентів Л. І. Лутугін разом із п’ятьома іншими професорами в кінці березня 1904 року покидає Гірничий інститут. Царський уряд згодом змушений був звільнити директора-диктатора Гірничого інституту Д.П. Коновалова та прийняти назад усіх виключених студентів, і тільки після цього осінню 1906 року Л. І. Лутугін з іншими професорами повертається до інституту. Але після розгону Другої Державної думи та активної участі у виборчій компанії до Третьої думи Л. І. Лутугін 2 листопада 1907 р. наказом уряду був звільнений із Геологічного комітету за так званим «3-м пунктом», тобто без пояснення причини звільнення. Через півроку в травні 1908 р. Лутугін був вимушений піти із Гірничого інституту і стати «вільним» геологом.

У важкі роки столипінської реакції Л. І. Лутугін приймає активну участь в створенні професіональних спілок інтелігенції, очолюючи в них найбільш демократичні групи. Особливо значну роль він відіграв у організації Спілок інженерів, техніків та економістів. Завдяки діяльності Л.І. Лутугіна на посадах заступника голови Російського технічного товариства і віце-президента Вільного економічного товариства було організовано ряд заходів з вирішення проблем прикладної геології та розвідувальної справи, міського і сільського облаштування, машинобудування та


7

металургії, пом’якшення важких економічних потрясінь, оцінки масштабу і наслідків зростаючого безробіття, а також будівництва притулків та харчових пунктів для біженців, хворих і поранених.

Як секретар науково-технічної комісії він організував доповіді з аналізу торгових договорів з Німеччиною, про стан водозабезпечення Петербурга та золоторудної промисловості Сибіру. Брав участь в земському русі. В 1903-1905 роках Лутугін Л. І. входив у «Союз Визволення» та співпрацював у журналі «Визволення». В 1905 році приймає участь у з’їзді, на якому була заснована демократична партія, і був обраний в члени її центрального комітету, але невдовзі вийшов з партії.

У своїх виступах Леонід Іванович неодноразово підкреслював, що головне зло життя в Царській Росії – це невідповідність політичних і економічних форм управління інтересам народу і призивав до боротьби із самодержавством та хижацьким освоєнням Донбасу. Із властивим йому сарказмом відмічав, що окремі власники на граничних межах ділянок спотворюють вугільні родовища більше, чим складчастість, скиди та інші тектонічні порушення, лишаючи в майбутньому можливості здійснювати раціональне видобування вугілля у відповідності із гірничим мистецтвом, особливостями та характером покладів.

Невичерпна енергія творчої людини, окриленої натхненням, особливо проявлялася в спілкуванні із творчою аудиторією. В багатьох документальних спогадах та оповіданнях відмічається, що Лутугін Л.І. був дотепним співрозмовником із сильно розвинутим почуттям гумору. Досконало володів красномовністю і був не просто добрим оратором, а справжнім трибуном, промова якого приголомшувала слухачів.

Безумовно, головною працею Л.І. Лутугіна є геологічна модель Донбасу, яку він створив з десятків тисяч досліджених натурних елементів, а зменшивши натуру в 24000 разів, не упустив при цьому ні однієї деталі. Опубліковані за роки дослідження надр Донбасу 63 журнальні статті-звіти і зараз можуть служити настановою, геологічним статутом та еталонним взірцем як здійснювати детальну геологічну зйомку та як вивчити і розвідувати «поклади сонця» в донецькій землі. Л.І. Лутугін обґрунтував необхідність пошуків та розвідування металургійного (коксівного) вугілля, що стало головною програмою подальших досліджень його талановитих учнів та послідовників, а також встановив залежність якості вугілля від ступеня його метаморфізму та особливостей геологічної будови вугленосних басейнів.

Характерною ознакою Л.І. Лутугіна як вченого, професора та всесвітньо відомого дослідника вугільних родовищ і басейнів був непохитний погляд на науку не як на абстрактне академічне захоплення, а як на натхненну творчу працю, яка повинна служити на потреби людини і завжди в остаточному вигляді мати на меті та реалізувати конкретні практичні цілі.

Життєвий подвиг і безмежна відданість любимій роботі, високий професіоналізм і патріотизм, порядність та людяність Л.І. Лутугіна і зараз є прикладом для теперішнього та майбутніх поколінь дослідників надр Великого Донбасу.

канд. геол. наук М. В. Жикаляк

(ДРГП «Донецькгеологія»)


8

УДК 622.834

Н. А. Колесник, канд. техн. наук ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», Донецк, Украина

Применение усовершенствованной методики для оценки вариации положения границы мульды

Описаны методики исследования местоположения границы мульды сдвижения с применением российских правил охраны сооружений и по методике действующих украинских правил подработки сооружений, а также по предлагаемой автором методике. Выполнено подробное сопоставление указанных трех методик исследования вариации положения границы мульды.

Ключевые слова: сдвижения и деформации земной поверхности, вариация граница мульды сдвижения, доверительный интервал.

Проблема совершенствования прогноза деформаций земной поверхности и мер охраны подрабатываемых объектов является актуальной задачей. В настоящее время основным нормативным документом для расчета ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности являются «Правила подработки…» [1]. Методика предусматривает определение распределений сдвижений и деформаций в виде типовых кривых. Однако инструментальные наблюдения свидетельствуют о том, что реальное распределение сдвижений и деформаций в мульде, а также положения границ мульды сдвижения отклоняются от типовых кривых в виде случайного разброса с определенным интервалом.

На рис. 1 представлен график оседаний и положение границ мульды по данным инструментальных наблюдений и по методике расчета по правилам 1972 г. вдоль профильной линии [2]. Из данного рисунка видно, что левая граница мульды, построенная по измеренным данным отличается на 29 % от длины полумульды рассчитанной по правилам 1972 г. В правой части видно, что фактическая граница мульда на 21 % отличается от рассчитанной по правилам. На данном участке наблюдается также отличие рассчитанной полумульды по предлагаемому авторами методу от расчетной по правилам на 14 % от длины полумульды. В таком случае видно, что мульда сдвижения по результатам инструментальных наблюдений больше, чем мульда, полученная по нормативному документу, а мульда рассчитанная по предложенному авторами [2] способу наоборот имеет меньшие размеры.

Присутствие неопределенности положения границ мульды сдвижения выявлено также при анализе других данных [3-6].

Попытка учесть естественный разброс фактических сдвижений и деформаций земной поверхности на участках мульды сдвижения была предложена в российском нормативном документе [7].

В [7] предлагается для решения задач по разработке мер охраны подрабатываемых объектов использовать расчетные величины сдвижений и деформаций земной поверхности, определяемые с учетом ошибок положения зоны сдвижения на местности ΔL и коэффициентов перегрузки.

Вначале по описанной методике в районе объекта выбираются три точки зоны и определяются расчетные сдвижения и деформации в этих точках. Положение точек 1-3 находится исходя из ошибок положения зоны сдвижения на местности ΔL, определяемых по формуле:

110,0 HL , но не менее 10 м; где Н1 – средняя глубина залегания пласта (рис. 2) [7]. Под объектом принимаются наибольшие расчетные значения сдвижений и деформаций, получаемые в одной из выбранных трех точек (рис. 3.).

На рис. 3,в показан пример, на котором видно, что телемачта расположена за пределами расчетной мульды сдвижения, но при накладывании величины ΔL, левая точка по методике [7] попадает в зону подработки. В таком случае над центром объекта принимаются максимальные значения наклонов, наблюдаемые для левой точки зоны.

© Н. А. Колесник, 2014


9

Н=

160 м

Рис. 1. Графики измеренных и расчетных оседаний: 1 – рассчитанные по правилам 1972 г.; 2 – рассчитанные по предлагаемому

авторами способу; 3 – измеренные оседания [2]

Рис. 2. Схема к определению расчетных деформаций в основании объекта абвг [7]

-15

-10

-5

0

5

10

15

-1 -0,5 0 0,5 1

Расстояние по главному сечению

Наклоны

, 1*1

0-3

i расч., 1*10-3

ΔL ΔL

а) б) в)

Рис. 3. Пример использования методики, описанной в [7], для телемачты, расположенной в средней части полумульды (а); в центре мульды сдвижения (б); за границей мульды сдвижения (в)


10

В российских «Правилах охраны…» [7] не сказано как учитывать разброс местоположения границы мульды сдвижения. Однако следуя указаниям, приведенным в цитируемой методике от точки расчетной границы влево и вправо следует отложить величину равную 0,1Н1.

В результате анализа инструментальных наблюдений других авторов и компьютерного моделирования, выполненного автором статьи [8, 9], установлено, что прогнозное положение границы мульды определяется с некоторой погрешностью и имеет разброс в пределах доверительного интервала. В связи с этим необходимо провести дополнительные исследования для уточнения местоположения границы мульды сдвижения.

Анализируя результаты других исследователей [2-5] автором статьи [9] установлены существенные отличия фактических размеров и границ полумульд от расчетных, полученных по методике нормативных документов.

На рис. 4 представлена гистограмма разброса положения границ мульды сдвижений. При этом среднеквадратическое отклонение составляет 17 %, а гистограмма отклонений фактической границы мульды от расчетной согласуется с нормальным законом распределения.

Аналогичные операции были выполнены для результатов стохастического моделирования, проделанного автором в [8].

В результате на рис. 5 приведена гистограмма разброса положения границ мульды каждой отдельной модели от расчетной мульды сдвижения по «Правилам подработки…» [1]. При этом среднеквадратическое отклонение составляет 18,04 %.

Для полного исследования в [9] была построена гистограмма разброса границы мульды совместно для результатов других исследователей и стохастического моделирования (рис. 6).

Таким образом, можно сделать вывод, что среднеквадратическое отклонение местоположения фактической границы мульды сдвижения от расчетной составляет ±17,63 % от длины полумульды.

В качестве примера в табл. 1 представлен разброс положения границ от длины полумульды в зависимости от глубины разработки при 1σ=17 % и угле падения пласта 0°.

Таблица 1 – Исходные условия и результаты расчета

№ п/п

Глубина разработки, м

Длина полумульды, м Величина 0,1Н1, м [7]

Разброс положения границы мульды от длины полумульды, м

1 500 281 50 47,7 2 800 391 80 66,5 3 1000 464 100 78,9

В результате видно, что разброс местоположения границы мульды растет с увеличением

глубины в обоих случаях. Разница между двумя способами также увеличивается с ростом глубины разработки и изменяется для данных примеров в пределах 4,6-21,1 %. Как видим, методика [7] дает завышенные значения разброса положения границы мульды сдвижений.

Для подтверждения полученных результатов в качестве демонстрационного примера рассмотрим подработку телевизионной вышки высотой 360 м. Угол падения угольного пласта составляет 9-11°, мощность пласта 0,65-0,75 м, длина лавы – 150 м. Согласно «Правилам подработки…» [1] нормативный допустимый показатель равен 4*10-3.

Вычисляем детерминированные распределения наклонов по «Правилам подработки…» [1]. На рис. 7 данное распределение показано сплошной линией для принятых горно-геологических условий.

Вводим поправку в детерминированные величины наклонов согласно [8]. В результате в отличие от нормативной методики вместо одностороннего коэффициента перегрузки используется двухсторонний доверительный интервал.

Из рис. 7 следует, что на границе расчетной полумульды имеет место участок 0,78-1,22z (где z - безразмерная координата вдоль главного сечения полумульды, в долях полумульды) с возможным положением границы мульды, длина которого составляет 0,44 длины полумульды. На этом участке наклоны могут изменяться от 0 до 0,003 и от 0 до -0,001. В таком случае граница мульды сдвижения может быть расположена в любой точке данного интервала.


11

Количество измерений

Интервал, %

-3σ -2σ -1σ 1σ 2σ 3σ

Рис. 4. Распределение разброса положения границы мульды сдвижений


Интервал, %

-3σ -2σ -1σ 1σ 2σ 3σ

Рис. 5. Распределение разброса положения границы мульды сдвижений по результатам моделирования


Интервал, %

-3σ -2σ -1σ 1σ 2σ 3σ

Рис. 6. Распределение разброса положения границы мульды сдвижений совместно по результатам моделирования и других исследователей


12

-0,006

-0,004

-0,002

0

0,002

0,004

0,006

0,008

0,01

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Длина полумульды

Наклоны

Детерминированноераспределение наклоновНижний доверительныйинтервалВерхний доверительныйинтервалНижнее критическоеположениеВерхнее критическоеположение

Расстояние в долях полумульды

Телевышка

Верхнее критическое

-17% +17%

0,8 1

Рис. 7. Распределение наклонов с учетом их разброса в полумульде

Таким образом, в результате выполненных исследований можно сделать вывод, что

вариация границы мульды сдвижений присутствует, а среднее квадратическое отклонение положения границы равно ±17 % длины полумульды.

Введение данной поправки при расчете длины мульды позволяет увеличить надежность прогноза мер защиты и безопасность эксплуатации подрабатываемых объектов.

Библиографический список

1. Правила підробки будівель, споруд і природних об’єктів при видобуванні вугілля підземним способом [Текст] : ГСТУ 101.00159226.001 – 2003: Введ. 01.01.2004. – К., 2004. – 128 с.

2. Борщ-Компониец, В.И. Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках [Текст] / И.М. Батугина, В.М. Варлашкин и др. ; под общей ред. В.А. Букринского и Г.В. Орлова. – М. : Недра, 1984. – 247 с.

3. Колбенков, С.П. Способы расчета деформации земной поверхности в угольных бассейнах и практическое их использование в маркшейдерском деле [Текст] / С.П. Колбенков // Труды Всесоюзного научно-технического совещания по маркшейдерскому делу. – М.: Углетехиздат. - 1958. - с. 251-264.

4. Заложить наблюдательные станции, провести инструментальные наблюдения за деформациями земной поверхности при дискретном характере процесса сдвижения и при разработке пластов на большой глубине [Текст] : отчет о НИР (промежуточный): 0205 / Украинский филиал Всесоюзного научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ); отв. исполн.: Чепенко Л.П. [и др.]. - 1977. – 113 с.

5. Agioutantis, Z. Developing improved methods of predicting surface displacements due to underground mining through the integration of empirical indices into numerical modeling [Text] / Z. Agioutantis, M. Karmis // Mining Science and Technology, 7, Elsevier Science Publishers B.V. – Amsterdam. - 1988. – p. 133-148.

6. Иофис, М.А. Инженерная геомеханика при подземных разработках [Текст] / М.А. Иофис, А.И. Шмелев. – М. : Недра, 1985. – 248 с.

7. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях [Текст] – С.-Петербург, 1998.

8. Бугаёва, Н.А. Определение параметров деформаций земной поверхности по стохастическим мульдам оседания [Текст] / Н.А. Бугаёва, Е.В. Яремчук, В.В. Назимко // Проблеми гірського тиску / Донец. нац. техн. ун-т. – Донецьк. – 2009. – Вип.17. – с. 192-225.


13

9. Бугаёва, Н.А. Исследование вариации местоположения границы мульды сдвижения [Текст] / Н.А. Бугаёва // Проблеми гірського тиску / Донец. нац. техн. ун-т. – Донецьк. – 2012. – Вип.20-21. – с. 164-176.

Надійшла до редакції 18.03.14.

Н. А. Колеснік

Донецький національний технічний університет, Донецьк, Україна

Застосування вдосконаленої методики для оцінки варіації розташування границі мульди

Описано методики дослідження місця розташування границі мульди зрушення із застосуванням російських правил охорони споруд і за методикою діючих українських правил підробки споруд, а також за запропонованою автором методикою. Виконано докладне зіставлення зазначених трьох методик дослідження варіації положення границі мульди.

Ключові слова: зрушення і деформації земної поверхні, варіація границі мульди зрушення, довірчий інтервал

N. A. Kolesnik

Donetsk National Technical University, Donetsk, Ukraine

Development of a method for investigation of variation of though border position

Examination of existent publication has demonstrated that actual position of trough border according to measurement in situ deviates from those predicted using current regulatory instructions. That is why existent methods need improvement that will help modify technologies of construction destruction prevention due to their undermining. Generalization of representative instrumental data helped to determine histogram parameters and variation of actual though border position relatively predicted one. According to stochastic simulation, the variation of the border position was ±18,04 % whereas actual data analysis yields ±17 % that is in good concordance. Variation of the border position increases as depth increases according both to the author’s data and Russian regulatory instruction. The author presented an example for the border position determination taking in account all details and factors that impact the variation. Therefore, this paper presents all data and arguments that provide sufficient reliability of improved method that may be implemented into practice for though border position determination. New method increases reliability of measures that should be used to prevent destruction of undermined objects and constructions.

Keywords: ground movement due to undermining, variation of though border position, confidence interval.


14

УДК 622.831.1

А. Н. Грищенков1, Н. Н. Грищенков2 1 ГВУЗ «ДонНТУ», Донецк, Украина

2 УкрНИМИ, Донецк, Украина

Определение вероятности необнаружения грубых угловых и линейных ошибок, не выявленных невязками в ходах различной конфигурации и

протяженности

В статье рассмотрен вопрос определения вероятности необнаружения грубых ошибок, не выявленных невязками в отдельных ходах. В работе установлены зависимости вероятности выявления грубых ошибок угловых и линейных измерений в полигонометрических ходах подземных опорных маркшейдерских сетей от вида и конфигурации хода, его протяжённости, точности линейных и угловых измерений, которые позволяют локализовать появление грубых ошибок и оценить их величину и влияние на определяемые координаты маркшейдерских пунктов.

Ключевые слова: погрешность, конфигурации, точность, подземные маркшейдерские ходы.

Вначале исследована вероятность необнаружения грубой угловой ошибки в зависимости от ее величины и от длины висячего хода пройденного между гиросторонами (рис. 1).

Контроль измерений по невязкам ходов не дает 100 выявления грубых ошибок. Следовательно, в уравниваемой сети возможно присутствие необнаруженных грубых ошибок, которые естественно искажают конечные результаты уравнивания.

При создании высокоточного и надежного планового обоснования необходимо знать, каковы величины этих искажений и остается ли при этом сеть пригодной для использования. Вероятность необнаружения грубой ошибки зависит от соотношения грубой ошибки и допустимой невязки (рис. 2).

1

NL1 1 2 0

k

Рисунок 1 – Схема вытянутого хода Воспользуемся интегралом вероятностей [1]:

Ф(k) = P (-k t k) = k

dtte0

25.02

(1)

Величина t представляет собой отношение фактической невязки к допустимой ( nmma

222 ) в полигонометрическом ходе (ma, m - СКП гироскопических и угловых измерений

(30″ и 20″ соответственно), а n – количество измеренных углов в ходе). В качестве фактической невязки выступает грубая ошибка (ГО).

Получаем:

t = nmm

ГО

a 222

.

© А. Н. Грищенков, Н. Н. Грищенков, 2014


15

Если величина t выйдет за 2, тогда расчет вероятности необнаружения грубых ошибок (W) будет вестись по формуле:

W=

Н

ГО

dtte2

0

25.02

1

+

2

0

25.02

1 Н

ГО

dtte

, (2)

где ГО – это грубая ошибка, а Н – допустимая невязка в ходе. Если величина t не превысит 2, тогда второе слагаемое вышеуказанной формулы (2) будет

равно

Н

ГО

dtte2

0

25.02

1

.

Рисунок 2 - Смещение функции Лапласа при наличии грубой ошибки измерений Результаты получены по выведенным формулам на основе функции плотности

вероятности нормального закона распределения, функции Лапласа и интеграла вероятностей. Из рис. 3 видно, что грубые ошибки в 7' и более практически всегда выявляются на этапе

контроля угловых невязок ходов. Выявлено, что с увеличением количества углов в разомкнутом ходе плавно уменьшается вероятность обнаружения грубой ошибки. На графике видно, что вероятность обнаружения ГО в 1-3' составляет ~30% для ходов протяженностью в 1 км (~30 пунктов в ходе). Так при ГО в 5' и 20 углах в ходе вероятность ее обнаружения составляет 85%, а при 40 углах – уже 60%.

Далее, исследована вероятность необнаружения грубых угловых и линейных ошибок, не выявленных невязками в ходах различной конфигурации и протяженности.

Для проведения эксперимента были выделены семь видов полигонометрических ходов: вытянутый висячий ход, зигзагообразный висячий ход, диагональный висячий ход, Г-образный висячий ход, П-образный висячий ход, разомкнутый ход и замкнутый ход. Виды ходов рассмотрены в работе [2]. Для каждого из видов ходов были сгенерированы по три хода протяжённостью соответственно 1 км, 2 км и 3 км.

Средняя квадратическая ошибка измерения горизонтальных углов в подземной маркшейдерской опорной сети согласно действующей маркшейдерской «Инструкции…» [3] принималась равной 20". Максимальное расхождение между двумя измерениями одной стороны согласно той же инструкции принималось равным 1:3000. Величины грубых ошибок в угловых измерениях варьировали в диапазоне от 1' до 10'. Величины грубых ошибок в линейных измерениях колебались в диапазоне от 1:1000 до 1:100.


16

Рисунок 3 – Вероятность необнаружения грубых ошибок (от 1 до 7') для ходов различной протяженности Для каждого из видов полигонометрических ходов были реализованы четыре следующие

модели влияния погрешностей:

– модель влияния случайных погрешностей угловых и линейных измерений; – модель влияния случайных погрешностей угловых и линейных измерений и грубой ошибки угловых измерений;

– модель влияния случайных погрешностей угловых и линейных измерений и грубой ошибки линейных измерений;

– модель влияния случайных погрешностей и грубых ошибок угловых и линейных измерений.

Число реализаций (расчётов) в каждой модели составляло от 1000 до 10000. Работа каждой из моделей в статистическом эксперименте осуществлялась по следующей схеме. В висячих полигонометрических ходах всех конфигураций, а также в разомкнутом и замкнутом ходах в каждом цикле реализации выполнялось определение угловой невязки и относительной ошибки хода. При этом фиксировались все случаи, когда угловая невязка хода превышала допустимую невязку (Kb случаев). Отношение Kb/Kr, где Kr – число реализаций, определяет вероятность обнаружения соответствующей погрешности измерения углов. Соответственно вероятность необнаружения этой погрешности будет равной (1 - Kb/Kr).

Аналогичным образом фиксировались все случаи, когда относительная ошибка хода превышала установленный допуск 1:3000 (Kxy), и с известным допущением через отношение Kxy/Kr определялась вероятность обнаружения соответствующей погрешности измерения длин сторон хода.

В эксперименте фиксировались также и те случаи, когда оба этих превышения невязок фиксировались одновременно (Kbxy), т.е. когда угловая невязка и относительная ошибка хода одновременно превышали установленные допуски. Эти случаи практически отсутствовали в модели влияния случайных погрешностей угловых и линейных измерений, но стабильно присутствовали в моделях влияния грубых ошибок как угловых, так и линейных измерений. Аналогично через отношение Kbxy/Kr определялась вероятность обнаружения соответствующих погрешностей угловых и линейных измерений.

Анализ полученных результатов позволил сделать следующие основные заключения:

1. Для всех видов полигонометрических ходов вероятность необнаружения грубых ошибок измерения углов и длин снижается с ростом величины грубой угловой ошибки (с 1' до 10') в 2,6 раза для ходов протяжённостью 1 км, в 2,0 раза для ходов протяжённостью 2 км и в 1,7 раза для ходов протяжённостью 3 км. Наличие грубых ошибок измерения углов обнаруживается намного быстрее, чем наличие грубых ошибок измерения длин, причём, чем больше грубая ошибка измерения углов, тем быстрее она может быть обнаружена.


17

2. Для всех видов полигонометрических ходов вероятность необнаружения грубой угловой ошибки на этапе определения относительной ошибки хода уменьшается как с ростом грубой ошибки измерения углов, так и с ростом протяжённости хода. При этом максимальное снижение вероятности необнаружения наблюдается для вытянутого висячего хода, а минимальное – для П-образного висячего хода.

3. Вероятность необнаружения грубой угловой ошибки одновременно на этапе определения угловой невязки и на этапе определения относительной ошибки хода является максимальной для всех видов ходов, поскольку подобные случаи встречаются реже всего.

В результате проведенных исследований получены графики вероятности необнаружения грубых угловых и линейных ошибок, не выявленных невязками в ходах различной конфигурации и протяженности. На рис. 4 приведен типичный график вероятности необнаружения погрешностей для вытянутого висячего хода.

Длина хода - 1 км

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

60 120 180 240 300 360 420 480 540 600

Грубые ошибки измерения углов, сек

Вероятность

нео

бнаруж

ения

, %

Kfb

Kxy

Kbxy

Рисунок 4 – Вероятность необнаружения случайных погрешностей и грубых ошибок измерения углов и длин в вытянутом висячем полигонометрическом ходе


1. Браунли, К.А. Статическая теория и методология в науке и технике / К.А.Браунли. Пер. с англ.- М.: Наука, 1977.- 256 с.

2. Грищенков, Н.Н. Исследование влияния различных видов измерительных средств и различных конфигураций ходов на погрешность определения пунктов теодолитных и полигонометрических ходов / Н.Н. Грищенков, А.М. Грищенков // Наукові праці ДонНТУ: Серія гірничо-геологічна. – Вип. 2. – Донецьк: ДонНТУ. – 2013. – С. 170-180.

3. КД 12.06.203-2000 «Маркшейдерські роботи на вугільних шахтах та розрізах. Інструкція». - Мінпаливенерго України, Київ, 2001. – 264 с.

Надійшла до редакції 31.03.14

А. М. Грищенков1, М. М. Грищенков2 1 ДВНЗ «Донецький національній технічний університет» , Донецьк, Україна 2 Український державний науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи (УкрНДМІ), Донецьк, Україна

Визначення ймовірності невиявлення грубих кутових і лінійних помилок, невиявлених нев’язками в ходах різної конфігурації та протяжності

У статті розглянуто питання визначення ймовірності невиявлення грубих помилок, не виявлених нев’язками в окремих ходах. У роботі встановлені залежності ймовірності виявлення грубих похибок кутових і лінійних вимірювань в полігонометричних ходах підземних опорних маркшейдерських мереж від виду та конфігурації ходу, його протяжності, точності лінійних і кутових вимірювань, які дозволяють


18

локалізувати появу грубих похибок і оцінити їх величину та вплив на координати маркшейдерських пунктів.

Ключові слова: похибка, конфігурації, точність, підземні маркшейдерські хода.

A. N. Grishchenkov1, N. N. Grishchenkov2 1 Donetsk National Technical University, Donetsk, Ukraine 2 Ukrainian State Scientific-Research and Design Institute of Mining Geology, Rock Mechanics and Mine Surveying (UkrNDMI), Donetsk, Ukraine

Determination of the probability of undetected gross angular and linear error not detected with discrepancies in the ducts of various configurations and lengths

The paper reviews the problem of the probability of non-detection of gross errors which are not revealed with the residuals in separate polygonometries courses. We established dependences of probability of gross error detection for angular and linear measurements in polygonometries courses of underground basic mine-surveying networks of type and configuration of the course, its length, accuracy of angular and linear measurements. These dependencies enable to localize the emergence of gross errors and estimate their value and impact on the designated coordinates of mine-surveying points. Results of study may be used for solving mine surveying tasks such as planning and development of underground surveying networks.

Keywords: error, configuration, accuracy, underground mine-surveying courses.


19

УДК 902.66+553.43

Ю. П. Шубин, канд. геол. наук ДонГТУ, Алчевск, Украина

Результаты геоархеологических исследований на территории древних медных рудников Донбасса

Многолетние геоархеологические исследования памятников горно-металлургической деятельности епохи поздней бронзы, расположенных в пределах Бахмутской котловины Донбасса позволили выполнить реконструкцию производственной деятельности прошлого и установить прогнозно-поисковое значение исследования вещественного состава артефактов. Апробированы методы геоархеологических исследований на территории Донбасса. Изучен вещественный состав исходных руд, продуктов металлургического передела экспериментальных плавок и археологических находок. Установлены закономерности перераспределения элементов-примесей по продуктам металлургического процесса. Стратификацию примесных химических элементов внутри полученного металла необходимо учитывать при изучении палеометалла. На основе анализа полученных результатов выработан комплекс наиболее эффективных и достоверных методов исследований для решения вопросов нового междисциплинарного направления – геоархеологии.

Ключевые слова: геоархеология, производственная деятельность, методы исследований, реконструкция производства, элементы-примеси, поисковые признаки.

Уже более десяти лет ведутся непрерывные исследования памятников древнего горно-металлургического производства эпохи поздней бронзы – древние медные рудники, относящиеся к отложениям картамышской свиты нижней перьми формации медистых песчаников Донбасса. В структурном отношении эти меднорудные объекты расположены в восточной окраине Бахмутской котловины Донбасса, где меденосные отложения картамышской свиты выходят на поверхность. Термин геоархеология, как известно, ввели Д. Девидсон и М. Шекли 40 лет назад для исследований, направленных на изучение археологических объектов геологическими, минералого-геохимическими, геофизическими и другими методами [1]. Попытки сотрудничества археологов и геологов для реконструкции горной деятельности на территории Донбасса предпринимались и раньше, в частности, предпринимались попытки определения возраста древних разработок серебрянных руд в пределах Берёзовского серебрянно-полиметаллического месторождения Нагольного кряжа [2]. В дальнейшем нами были обобщены сведения поисково-разведочных работ, проведённых на этой территории по пересечению канавами и шурфами систем древним горных выработок поверхностного и подземного типов по добыче серебряных руд [3]. Комплексные геоархеологические исследования территорий древней горно-металлургической деятельности позволяют решать не только задачи исторических реконструкций прошлого, но и сугубо геологические, прежде всего связанные с поисками месторождений полезных ископаемых [4]. Поэтому важнейшей проблемой, которую необходимо решить при этом – разработка комплекса методов исследований, который необходимо применять при решении конкретных задач для получения полноценной достоверной информации, которую возможно использовать для правильных последующих исторических реконструкций и для решения прикладних геологических задач. Нами предложен комплекс лабораторных методов исследований исходных руд, а также продуктов металлургического передела – шлака, штейна и металла [5].

Геоархеологические исследования направлены на изучение геологического строения и вещественного состава местрождений, вещественных свидетельств древней производственной деятельности (горные породы, руда, шлак, штейн, металл, каменные орудия, литейные формы), их увязки между собой. Параллельно с этим необходимо проводить экспериментальные исследования, в частности реконструкция медеплавильного производства на основании пробных экспериментальных плавок металла с последующим изучением вещественного состава продуктов этих плавок. Сопоставление результатов исследований вещественных свидетельств древней горно-металлургической деятельности с таковыми экспериментальных плавок позволяют определить

© Ю. П. Шубин, 2014


20

характер исходного рудного сырья (сульфидные или окисные руды), а также последующие этапы технологического процесса (обогащение, окислительный обжиг, стадии металлургического передела, процессы легирования) и последующей металлообработки (закалка, проковка). При изучении продуктов металлургического цикла крайне важно прослеживание перераспределения примесных химических элементов по продуктам металлургического производства для того, чтобы проследить связь с составом исходного минерального сырья, а также выяснить технологические этапы металлургического процесса (черновая, чистовая плавки, использование флюсов, легирование, применение металлического лома).

Общегеологические предпосылки для отработки меднорудных объектов могут быть сведены к следующему. Благоприятными для отработки могли быть объекты с наличием тел богатых руд, не требующих значительных усилий на отделение рудных скоплений (конкреции, псевдоморфозы по древесным остаткам) от пустой вмещающей горной породы. Как правило, рудные объекты с высокой концентрацией полезного компонента характеризуются незначительными суммарными запасами (чем выше качество руд, тем меньше их суммарные запасы). Крепость вмещающих горных пород должна быть невысокой, чтобы обеспечить эффективную проходку горных выработок и добычу полезного ископаемого с использованием каменных орудий (молоты, мотыги, клинья). На Картамышском рудопроявлении меди песчано-алевритовые горные породы меденосных «серых» зон не прочные, часто на карбонатном цементе, интенсивно выветрелые, вплоть до образования рыхлых песчано-алевритовых масс. Горные работы в древности велись выше уровня грунтовых вод, поэтому перспективными для отработки были участки, возвышающиеся над общим пониженным уровнем рельефа. Так, гривки медистых песчаников рудоносных «серых» зон на Картамышском рудопроявлении меди возвышаются на 5–20 м. Угол падения рудоносных зон во многом определяет систему отработки рудных тел. На Картамышском рудопроявлении меди угол падения рудных зон составляет около 55о, что определило наиболее широкое развитие подземного способа отработки рудных тел при подчинённой роли открытых горных работ, а на рудопроявлении Клиновом, где «серые» рудоносные зоны представлены углистыми аргиллитами с углом падения 7о руды отрабатывались открытым способом.

Нами на примере Картамышского проявления меди Бахмутской котловины Донбасса показано, что основным рудным сырьём в древности выступали сульфиды меди (халькозин), тогда как ранее считались окисные руды [6]. Обоснование строилось на том, что богатый концентрат медных руд возможно было получить из халькозиновых руд (до 60–65 % меди), именно из такого концентрата удалось выплавить сплошные слитки черновой меди весом до 100 г. Получение концентрата окисленных руд (малахит, азурит) проблематично, поскольку такие минералы образуются в результате переотложения, рассеяния меди при выветривании по порам и трещинам вмещающих горных пород. Кроме того, постоянное присутствие сульфидов меди в металлургических шлаках и штейнах в значительном количестве (содержания серы в шлаках и штейнах составляют первые проценты), структурно-текстурные особенности руд также свидетельствуют в пользу использования сульфидной формы руд в качестве источников минерального сырья. Кроме того, нами показано, что содержание мышьяка в исходных рудах и концентрация этого химического элемента в слитке металла экспериментальной плавки не позволяет получить мышьяковистую бронзу (0,019 %, тогда, как минимально необходимо 0,45 %). Поэтому выплавка бронзы из местного сырья без искусственного введения бронзообразующих добавок невозможна.

На трёх участках Картамышского рудопроявления, соответствующим трём кулисообразно смещённым рудоносным зонам, были обнаружены древние породные отвалы – свидетельства добычи медных руд. Для оценки объёмов горной массы на трёх отвалах были пройдены шурфы до уровня погребённых палеопочв. Исходя из морфологии, условий залегания и содержаний меди «серых» зон по результатам ранее проведенных в этом районе геологических исследований нами предварительно оценено возможное количество меди, добытой в древности суммарно на трёх объектах разработки [7].

Изучение продуктов металлургии и металлообработки в зонах металлообработки, удалённых на десятки и сотни километров от горнорудных центров требует необходимости выработки критериев возможной увязки таких продуктов с минерально-сырьевой базой. Естественно, наиболее надёжным источником такой информации могут служить фрагменты руды,


21

в том числе и реликтовые её включения в металлургических шлаках и штейнах, а также реликтовые включения тугоплавких типоморфных минералов в металлических слитках и металлических изделиях [1, 5]. Привязка палеометалла к сырьевой базе – более сложная задача, поскольку при этом необходимо преодолеть ряд проблем. Металл, полученный при металлургическом переделе медных руд формации медистых песчаников, в большинстве случаев является медью, поэтому последующий необходимый процесс легирования требует введения специальных бронзообразующих (мышьяк, сурьма, олово) присадок, которые в свою очередь могут существенным образом изменить примесную картину металла. При этом введение присадок возможно в виде фрагментов руд, а также в виде уже выплавленных самостоятельных присадочных элементов. Добавление металлического лома в выплавленный металл также приводит к искажению химического состава металла (процесс телескопирования). Следующей важной проблемой в процессе привязки продуктов металлургического передела и металлообработки к источникам минерального сырья являются процессы стратификации примесных химических элементов в расплаве металла, металлическом слитке и в металлическом изделии [8]. Необходимость учёта процессов стратификации примесных химических элементов в расплаве и в полученном металлическом слитке показана нами при изучении распределения примесных химических элементов внутри слитков меди экспериментальной плавки. Проведены исследований процесса стратификации примесных элементов внутри трёх слитков меди экспериментальной плавки методом рентгеноспектрального анализа (спектрометр ARL 9900). В результате установлено, что содержания мышьяка, сурьмы и свинца в нижней и в верхней частях слитков различаются между собой в сотни и даже тысячи раз. Такие изменения содержаний может вызвать необходимость отнесения проб металла, взятых в нижней и верхней частях слитка к различным химико-металлургическим группам металла. Такая дифференциация примесных элементов вероятно во многом связана с присутствием макроскопических включений инородных фаз в металле (сульфиды, окислы и т. д.), которые, стратифицируясь внутри расплава и слитка создают контрастную микропримесную картину. Поэтому две такие контрастные пробы, отобранные из одного слитка, могут быть ошибочно привязаны к различным минерально-сырьевым базам. В результате проба, отобранная в разных частях металлического слитка и металлического изделия, может показать разный примесный состав, поэтому необходимо разработать методику отбора проб, чтобы учесть указанные процессы стратификации примесных элементов внутри палеометалла. Важнейшим методическим вопросом при этом также является применение достаточно чувствительного лабораторного метода исследования вещества, обеспечивающего получение содержаний примесных химических элементов с необходимой степенью чувствительности. Ранее, в течение многих десятилетий для изучения содержаний примесных химических элементов в палеометалле применяли наиболее доступный и дешёвый спектральный анализ, который по нашим данным не обеспечивает необходимую достоверность результатов анализов для решения поставленных задач.

Изучение содержаний примесных химических элементов в отдельных группах изделий по их функциональному назначению (топоры, копья, молоты, иглы, шилья, украшения) для разных исторических эпох позволило выявить существенную зависимость содержаний примесных элементов и функционального назначения орудий, что свидетельствует о сознательном дозированном введении бронзооброзующих примесей в медь для обеспечения необходимых прочностных характеристик изделия в зависимости от его функционального назначения. Рассмотрение содержаний примесных химических элементов в древнем металле по его функциональному назначению позволило кроме того отметить тот факт, что металл древних слитков представлен медью. Последнее также указывает на использовании медных руд с невысоким содержанием бронзообразующих примесей, что свидетельствует об их целенаправленном введении в дальнейшем в металл.

При изучении каменных орудий труда широко применены минералого-петрографические методы исследований, а также микрозондовый и рентгеновские исследования для установления структурно-текстурных особенностей горных пород, типоморфных особенностей главных и акцессорных минералов, что позволяет осуществить на местности привязку каменных орудий к конкретных выходам этих горных пород на земной поверхности. Такой комплекс исследований применён к каменным орудиям и литейным формам, обнаруженных на производственных площадках Картамышского проявления меди, что позволило провести диагностику магматических


22

и метаморфических горных пород и привязать их к коренным обнажениям этих горных пород, расположенных в Поднепровье [9].

Таким образом, комплексные геологические исследования памятников древней горно-металлургической деятельности на территории Донбасса позволили очертить круг решаемых исторических и геологических вопросов, достоинства и недостатки применяемых методов исследований. Заложен методический фундамент в геоархеологические исследования в целом, внесён существенный вклад в реконструкцию горно-металлургической деятельности эпохи поздней бронзы на территории Донбасса, а также оценена в целом возможность использования вещественных свидетельств производственной деятельности для решения задач по поискам месторождений полезных ископаемых.


1. Зайков В.В. Основы геоархеологии [В.В. Зайков, А.М. Юминов, Е.В. Зайкова, А.Д. Таиров], – Челябинск, Издательский центр ЮУрГУ, 2011. – 263с.

2. Гладкий М.И. Исследования на Луганщине. /М.И. Гладкий, И.А. Писларий, А.А. Кротова // Археологические открытия 1974г – М., 1975 – С. 266-268

3. Бровендер Ю.М. К вопросу о рудниках Нагольного кряжа Донецкого бассейна / Ю.М. Бровендер, Ю.П. Шубин// Археология восточно-европейской лесостепи. – Вып. 18: Отечественная архееология ХХ века. – Воронеж: ВГУ, 2004. – С. 130-137

4. Шубин Ю.П. Значение и методы археологических свидетельств производственной деятельности в практике геологических исследований и для исторических реконструкций / Ю.П. Шубин // Современные проблемы теоретической, экспериментальной и прикладной минералогии (Юшкинские чтения 2013): материалы минералогического семинара с международным участием. Сыктывкар: ИГКоми НЦ УроРАН, 2013. – С.530-532.

5. Шубин Ю.П. Значение свидетельств древнего горнометаллургического производства для геологических изысканий и методы их исследований/Ю.П. Шубин // Наук. Праці Укр НДМІ НАН України, 2011. – С. 76 – 82.

6. Татаринов С.И. Древние горняки-металлурги /С.И.Татаринов.- Славянск: Печатный двор, 2003.- 131с. 7. Бровендер Ю.М. Определение объёмов горнах работ и оценка добычи медных руд на древних разработках

Картамышского рудопроявления Донбасса / Ю.М. Бровендер, Г.И. Гайко, Ю.П. Шубин // МДАСУ. – Луганськ: Вид-во СНУ, 2010. - №8. – С. 213-219

8. Шубин Ю.П. Некоторые аспекты изучения вещественного состава продуктов металлургического производства епохи поздней бронзы/Ю.П. Шубин, Ю.М. Бровендер//Проблеми гірничої археології (матеріали ІХ-го Картамиського польового археологічного семінару. – Алчевськ: Вид-во ДонДТУ, 2013. - С. 114-120

9. Нікітенко І.С. Про матеріали кам’яних знарядь Картамиського археологічного мікрорайону епохи бронзи, виготовлених з привозної сировини /І.С. Нікітенко// Науковий вісник НГУ. – 2010. – вип. 9-10. – С. 5-9


Ю. П. Шубін

ДонДТУ, Алчевськ, Україна

Результати геоархеологічних досліджень на території стародавніх мідних рудників Донбасу

Багаторічні геоархеологічні дослідження пам’яток гірничо-металургійної діяльності доби пізньої бронзи, розташованих в межах Бахмутської улоговии Донбасу дозволили виконати реконструкцію виробничої діяльності минулого і визначити прогнозно-пошукове значення досліджень речовинного складу артефактів. Апробовані методи геоархеологічних досліджень на території Донбасу. Досліджений речовинний склад вихідних руд, продуктів металургійної переробки експериментальних плавок та археологічних знахідок. Виявлені закономірності перерозподілу елементів-домішок по продуктах металургійного процесу. Стратифікацію домішкових хімічних елементів всередині отриманого металу необхідно враховувати при дослідженні палеометалу. На основі аналізу отриманих результатів вироблений комплекс найбільш ефективних і достовірних методів досліджень для рішення питань нового міждисциплінарного напрямку – геоархеології.

Ключеві слова: геоархеологія, виробнича діяльність, методи досліджень, реконструкція виробництва, елементи-домішки, пошукові ознаки.


23

Y. P. Shubin

DonSTU, Аlchevsk, Ukraine

Results of geoarcheologycal researches on the territory of Donbas ancient copper mines

Longterm geoarcheology researches of mine-metallurgical activities in the epoch of late bronze in Donbas Bachmut basin helped carry out the reconstruction of production activities in the past and establish forecast-prospect significance of investigation of the material composition of artefacts. The methods of geoarcheology on Donbas territory are approved. The material composition of original ore products, products of metallurgical treatment of experimental melting, and archeological evidence have been studied. Redistribution patterns of impurity elements for metallurgical process products have been established. When studying paleo metal, stratification of impurity elements in metal must be considered. On the basis of analysis of the obtained results we developed a complex of most effective and reliable methods to solve the questions of a new interdisciplinary direction – geoarcheology.

Keywords: geoarcheology, production occupation, methods of researches, reconstruction of production, elements-admixtures, search features.


24

УДК 551.24:553.94:622.83

И. Ю. Кесарийская, канд. геол. наук, М. Д. Карали ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», Донецк, Украина

Характеристика обрушаемости, устойчивости и крепости углевмещающих пород Донецкого

бассейна

В работе рассмотрены вопросы устойчивости, крепости и обрушаемости углевмещающих пород Донбасса. Охарактеризовано изменение устойчивости и обрушаемости пород кровли с глубиной и по площади бассейна. В качестве основных факторов, влияющих на показатели работы угольного предприятия, рекомендуется принимать: устойчивость пород кровли; крепость пород в 3-метровом слое над пластом; тип непосредственной почвы по устойчивости; крепость пород почвы в 3-метровом слое под пластом.

Ключевые слова: трещиноватость, устойчивость вмещающих пород, обрушаемость, ложная кровля, горно-геологические условия.

Угольные шахты Донбасса характеризуются весьма широким диапазоном горно-геологических условий, которые оказывают существенное влияние на производственно-технические показатели работы угледобывающих предприятий и, в конечном счете, на его технико-экономические показатели. Количественное влияние каждого фактора, характеризующего горно-геологические (естественные) условия шахтного поля (мощность пласта, глубина залегания, угол падения, разрывная и складчатая тектоника и др.) зависит как от самого фактора, так и от условий, в которых происходит его воздействие, то есть от взаимодействия с другими факторами.

Одним из ведущих факторов, оказывающих влияние на эффективность горного производства, является устойчивость и крепость углевмещающих пород. Действие данного геологического фактора на экономические показатели работы угольного предприятия связано с влиянием на такие элементы себестоимости как заработная плата, стоимость материалов и электроэнергии, стоимость проведения и поддержания горных выработок, скорость подвигания очистных забоев и др. Наиболее существенное влияние оказывает устойчивость пород кровли. Под устойчивостью понимается способность нижних слоев кровли удерживаться от обрушения в течение определенного времени (сохранять несущую способность). Устойчивость кровли угольных пластов зависит от горно-геологической и горнотехнической обстановки.

Основными элементами технологии, оказывающими влияние на состояние кровли в лаве являются:

– способ выемки, тип и величина захвата выемочной машины; – способ управления кровлей в очистном забое; – несущая способность крепи и плотность установки крепи; – скорость подвигания очистного забоя; – конструкция и геометрические параметры паспорта крепления и, прежде всего, расстояние между рамами крепи и расстояние от конца верхняка до забоя.

Устойчивость вмещающих пород в горных выработках определяется их литологическим составом, трещиноватостью, обводненностью, физико-механическими (прочностными, деформационными) характеристиками, которые, в свою очередь, зависят от условий образования и стадии катагенеза массива пород.

Группой авторов в работе «Прогноз горно-геологических условий эксплуатации шахт Донецкого бассейна» была установлена зависимость устойчивости пород непосредственно кровли от литологического состава и мощности слоев [1]. Было прослежено изменение средних значений коэффициентов вывалообразования К1 и К2 по литологическим разностям пород. Коэффициент вывалообразования К1 показывает отношение суммарной длины вывалов кровли высотой до 0,5 м к длине очистного забоя, а К2 - тоже, при вывалах высотой более 0,5 м. Значения коэффициентов © И. Ю. Кесарийская, М. Д. Карали, 2014


25

уменьшаются от аргиллитов, к алевролитам и далее к песчаникам и известнякам. Для Донбасса среднее значение К1 по аргиллитам равно 32%, по алевролитам – 20%, по песчаникам – 13% и для известняков – 11%. Установлена обратная связь значений коэффициентов вывалообразования с мощностью слоя. Определенное влияние на устойчивость кровли оказывает глубина разработки и катагенез пород [2]. Возрастание коэффициентов К1 и К2 прослеживается до 700 – 800 м, а далее они снижаются или изменения не наблюдаются. На достигнутых глубинах отработки влияние глубины наиболее заметны по пластам углях марок Д и Г, на остальных стадиях катагенеза оно незначительно. В капитальных и подготовительных выработках влияние глубины проявляется в увеличении интенсивности пучения пород почвы.

Отмечается резкое снижение устойчивости пород в зонах развития тектонических нарушений, что обусловлено развитием в них различных деформаций, трещиноватости, дробления и обводненности пород.

Изучению вопроса устойчивости боковых пород посвящены многие теоретические исследования, созданы различные классификации. Для прогноза устойчивости при геологоразведочных работах в Донбассе предложены вероятностно-статистический метод, методика литолого-фациального прогноза, методика объединения «Донбассгеология» и другие. Наибольшее практическое использование получила классификация Донуги, базирующаяся на единстве прогнозных геомеханических и литологических критериев и соответствующих им технологических решений (табл.1). В этой классификации используются следующие понятия:

1. А - обрушаемость массива пород над пластом; 2. Б - устойчивость нижнего слоя кровли; 3. П - устойчивость непосредственной почвы.

Таблица 1 - Классификация по устойчивости пород кровли и почвы угольных пластов

Категория

Значение геомеханических

критериев

Ориентировочный литологический состав для прогноза категорий боковых

пород

Характеристика вмещающих пород

Устойчивость пород кровли Б1 В=0,01-0,2м

Г=0,05-0,1м Д= 0 м

Слой углисто-глинистого сланца с характерными

плоскостями ослабления (f<2)

Весьма неустойчивые породы, обрушающиеся вместе с разрушаемым при выемке углем

(ложная кровля) Б2 В=0,05-0,3м

Г=0,1-0,4м Д=0м

Слой глинистого сланца, реже непрочного песчаника или

известняка (2<f<3)

Неустойчивые породы, не способные образовывать устойчивые естественные

обнаженные поверхности Б3 В=0,1-0,5м

Г=0,3-0,6м Д<2м

Слой сланцев, реже – песчаника или известняка

(3<f<5)

Малоустойчивые породы, способные образовывать относительно устойчивые

обнаженные поверхности Б4 В=0,2-0,7м

Г=0,5-1,0м Д<5м

Слой прочного сланца или песчаника, реже известняка

(5< f < 7)

Породы средней устойчивости, образующие устойчивые обнаженные поверхности в

призабойном пространстве Б5 В=0,5-2,0м

Г>1,0м Д>5м

Монолитный слой прочного песчаника, известняка, реже песчаного сланца (f >7)

Устойчивые кровли

Устойчивость верхнего слоя почвы П1 вд<10 МПа Сланцы «кучерявой» текстуры

с зеркалами скольжения (f < 2)

Весьма неустойчивые породы, которые разрушаются при взаимодействии с технологическими средствами

добычи угля (ложная почва) П2 10<вд<25

МПа Сланцы, реже песчаники

«кучерявой» текстуры (2 < f < 4)

Малоустойчивые породы, которые не разрушаются при взаимодействии с

технологическими средствами выемки угля и не служат надежной опорой стоек крепи при

поддержании кровли П3 вд>25 МПа Однородный массив из сланцев

или песчаников (f > 4) Устойчивые породы, не образующие

осложнения с применением средств крепления и управления кровлей


26

В качестве основных факторов, влияющих на показатели работы угольного предприятия, могут быть приняты:

– устойчивость пород кровли; – крепость пород в 3-метровом слое над пластом; – тип непосредственной почвы по устойчивости; – крепость пород почвы в 3-метровом слое под пластом.

Трехметровая зона над и под пластом включает все возможные варианты расположения участковых подготовительных выработок.

Геомеханические критерии, используемые для классификации 1. По устойчивости нижнего слоя кровли:

В – высота нижнего слоя непосредственной кровли, м. Определяется как расстояние по нормали от кровли угольного пласта до первой ослабляющей поверхности в породах непосредственной кровли.

Г – расстояние между трещинами в нижнем слое, м. Определяется как расстояние по нормали между соседними сонаправленными трещинами.

Д – размер устойчивого шага зависания нижнего слоя в выработанном пространстве.

2. По устойчивости почвы:

вд - прочность почвы на вдавливание.

В ранее проведенных работах по изучению устойчивости и обрушаемости углевмещающих пород [2, 3] было установлено следующее процентное соотношение устойчивости кровли угольных пластов Донецкого бассейна: на пологих пластах преобладают малоустойчивые Б2 и среднеустойчивые Б3 породы - по 37%; на крутых - неустойчивые Б1 и малоустойчивые Б2, которые составляют 45,2 и 41,6% соответственно.

Ложная кровля распространена в 5,5% лав на пластах пологого залегания и по 18,3 % лав - на крутых пластах. В непосредственной почве пологих пластов распространены алевролиты (63,6%), на крутых пластах - аргиллиты (55,5%). Процентное развитие ложной почвы 5 - 6%.

Следует отметить, что многие пласты имеют невыдержанные по площади типы кровли, поэтому при оценке используется среднее арифметическое индексов показателя Б по всем действующим на момент оценки очистным забоям.

Из всех угледобывающих предприятий Донбасса в отдельную группу по устойчивости боковых пород выделяются шахты Центрального района. При углах падения свыше 350 количество шахтопластов с неустойчивой кровлей выше, чем на пластах с углами падения до 350. Это объясняется более широким развитием поверхностей скольжения, являющихся следствием интенсивного проявления тектонических напряжений. Влияние степени катагенеза выражено в заметном уменьшении числа шахтопластов с неустойчивой кровлей в направлении с запада на восток. Такая закономерность обусловлена увеличением в восточном направлении катагенеза пород, и, как следствие этого, повышением механической прочности и их устойчивости в горных выработках. Однако, увеличение катагенеза с глубиной, влияет в меньшей мере, так как перекрывается более интенсивным локальным действием других факторов.

Крепость вмещающих пород определяет выбор технологии и методов проведения подготовительных горных выработок, от которых, в свою очередь, зависят темпы проведения выработок [2, 4]. Они оказывают непосредственное влияние на нормальную работу действующих очистных забоев, применение прогрессивных систем разработки, на своевременную подготовку новых горизонтов и сроки реконструкции действующих предприятий. Применение проходческих комбайнов позволяет механизировать все технологические операции и значительно повысить производительность труда. Область применения проходческих комбайнов, как правило, ограничивается крепостью пород f= 6 по шкале проф. Протодьяконова.

Важное влияние на технологические процессы отработки оказывает наличие ложной кровли - залегающий непосредственно над разрабатываемым пластом легкообрушающийся слой пород (в среднем 0,2 м до 0.5 м). В большинстве случаев она сразу же обрушается после выемки угля, и удержание ее при помощи крепи связано с большими трудностями. Абразивная порода увеличивает износ резцов комбайна, рештаков, забойных конвейеров.


27

В целом по бассейну ложная кровля развита в 65% разрабатываемых угольных пластов. Степень ее площадного развития изменяется в значительных пределах. По данным ИГД им. А.А.Скочинского около 28% шахтопластов характеризуются развитием ложной кровли на площади до 25% пласта, 15% пластов на площади 25-50%; 22% пластов имеют ложную кровлю, развитую на площади, превышающей 50% общей площади пласта. Такое значительное площадное развитие ложной кровли связано, по-видимому, с частыми случаями отнесения к ней весьма неустойчивых пород непосредственной кровли. Ложная кровля осложняет работу в очистном забое. Ее широкое площадное распространение (S >40%) приводит к повышенному засорению угля породой.

Таким образом, устойчивость и крепость углевмещающих пород, а также наличие ложной кровли являются одними из ведущих факторов, оказывающих влияние на эффективность горного производства и экономические показатели работы угольного предприятия.


1. Прогнозный каталог шахтопластов Донецкого угольного бассейна с характеристикой горно-геологических факторов и явлений. /Институт горного дела им. А.А. Скочинского АН СССР. - М. - 1992 – 499с.

2. Корсак О.Г., Шульга В.Ф., Нагорный Ю.Н., Буряченко М.Ф., Артёменко П.Г. Методика прогнозной оценки условий разработки угольных пластов Донбасса на больших глубинах. - К.: Институт геологических наук АН УССР, 1985. - 58с

3. Брижанёв А.М., Буряченко М.Ф., Галазов Р.А., Кирюков В.В. Прогноз горно-геологических условий эксплуатации шахт Донецкого бассейна. //Обзор ЦНИЭИуголь. – М.: - 1990. – 46с.

4. Астахов А.С. Экономическая оценка запасов полезных ископаемых. М.: - Недра, 1981. – 287с.


І. Ю. Кессарійска, канд. геол. наук, М. Д. Каралі

ДВНЗ «Донецький національний технічний університет»

Характеристика обвальності, стійкості й міцності углевміщуючих порід Донецького басейну

У роботі розглянуті питання стійкості, міцності й обвальності углевміщуючих порід Донбасу. Охарактеризовано зміну стійкості й обвальності порід покрівлі з глибиною і по площі басейну. Як основні фактори, що впливають на показники роботи вугільного підприємства, рекомендується приймати: стійкість порід покрівлі; міцність порід в 3-метровому шарі над пластом; тип безпосередньої підошви по стійкості; міцність порід підошви в 3-метровому шарі під пластом.

Ключові слова: тріщинуватість, стійкість вміщуючих порід, обвальність, несправжня покрівля, гірничо-геологічні умови.

I.Kessariyska, M.Karali

Donetsk National Technical University

Characteristic of cavability, stability and hardness of coal-bearing rocks of the Donets basin

The paper discusses the issues of stability, hardness and cavability of coal-bearing rocks of Donbas. The changes of stability and cavability of the seam roof with depth and on the Basin area are described. As the main factors influencing work of the coal mine, it is recommended to accept: stability of the seam roof, rock hardness in 3-meter layer over coal bed, type of the seam floor on stability, rock hardness in 3-meter layer under coal bed.

Keywords: rock jointing, stability of enclosing rock, cavability, false seam roof, geological conditions.


28

УДК 550.42

С. Г. Выборов, канд. геол.-минер. наук ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», Донецк, Украина

Динамика загрязнения почв в связи отходами углеобогащения

Рассматриваются вопросы пространственно-временной динамики техногенных аномалий в почвах. Полученные результаты регулярного мониторинга позволяют по-новому оценивать экологическую опасность выделяемых ореолов загрязнения. Накопленные в них токсичные элементы периодически переходят в подвижное состояние и мигрируют водными растворами в контактирующие среды, включая живые организмы.

Ключевые слова: почва, ореолы загрязнения, техногенные аномалии, пространственно-временная динамика, тяжелые металлы, регулярный мониторинг.

При оценках техногенного загрязнения наиболее распространенными являются представления о том, что большая часть тяжелых металлов, поступивших на поверхность почвы, закрепляется в верхних гумусовых горизонтах [1, 2]. Нередко утверждается, что металлы сравнительно быстро накапливаются в почве и крайне медленно из нее выводятся, приводятся периоды полуудаления для цинка – до 500 лет, кадмия – до 1100 лет, меди – до 1500 лет, свинца до нескольких тысяч лет [3]. На подобных взглядах базируются обоснования периодичности мониторинга почв в отношении загрязнения тяжелыми металлами с интервалом 5-10 лет [4].

Однако существующий у автора опыт мониторинга загрязнения почв токсичными элементами и тяжелыми металлами доказывает достаточно быструю пространственно-временную динамику выделяемых ореолов загрязнения в почвах. Существенные изменения наблюдаются даже в течение года, что позволяет говорить о посезонной динамике ореолов загрязнения почв, связанной со сменой климатических показателей (температурного режима, количества и состава осадков), водного режима почв и микробиологической активности [5]. Эти данные, основанные на результатах многолетнего мониторинга, дают возможность по-новому оценить экологическую опасность загрязнения почв, так как благодаря повышенной подвижности токсичных элементов, временно фиксируемых почвами, существует высокая вероятность техногенного загрязнения контактирующих компонентов окружающей среды – поверхностных и подземных вод, живых организмов.

Буферная роль почв в большинстве случаев преувеличивается, поэтому изучение пространственно-временной динамики ореолов загрязнения почв является важной задачей экологической безопасности. Стабильность деятельности источника загрязнения определяет некоторое постоянство в присутствии техногенных аномалий, хотя их контуры, пространственная приуроченность эпицентров периодически меняются. Токсичные элементы, попадая в почвенный слой, в течение года в большей своей части перемещаются в водоносные горизонты. Некоторая их часть мигрирует поверхностным стоком или вовлекается в биогенный цикл. В связи с этим установленная подвижность токсичных элементов представляет повышенную экологическую опасность.

Источниками техногенного загрязнения почв являются предприятия, различные накопители отходов. В Донбассе сосредоточены огромные массы отходов добычи и обогащения угля, поэтому оценка их влияния на окружающую среду весьма актуальна. Объективное и достоверное определение степени опасности накопителей отходов возможно лишь при изучении пространственно-временной динамики техногенного загрязнения.

В течение 2007-2010 г.г. автор в сотрудничестве с ПГП «Артемовская гидрогеологическая партия» проводил мониторинговые исследования зоны влияния илонакопителя и площадки просушки влажных отходов ООО «Моспинское углеперерабатывающее предприятие» (МУПП). Работы осуществлялись ежегодно в сентябре месяце, когда загрязнение почв со стороны участка размещения отходов максимально. Всего проведено четыре этапа исследований. © С. Г. Выборов, 2014


29

Илонакопитель и площадка просушки отходов углеобогащения МУПП расположены на южной окраине г. Моспино в пойме р. Грузская (рис. 1). С севера участок их размещения ограничен железной дорогой и промплощадкой предприятия, с южной – р. Грузская. К западу в 120 м от илонакопителя и в 220 м к востоку от площадки просушки расположены ближайшие жилые застройки г. Моспино.

Отходы углеобогащения отводятся по илопроводу последовательно в три секции илонакопителя, где происходит осветление пульпы. Осветленная вода из илонакопителя через водозаборные сооружения по самотечным трубопроводам подается к насосной станции, которая возвращает воду по напорному трубопроводу на промплощадку МУПП. Илонакопитель разделен на три секции, которые эксплуатируются последовательно: одна секция заполняется отходами, во второй – происходит подсушка илов, третья – очищается от подсушенного ила. Ил с влажностью до 40% из очищаемой секции илонакопителя грузиться в КрАЗы, транспортируется и выгружается по периметру площадки просушки. На площадке просушки происходит снижение влажности до 16%.

Рис. 1. Ситуационный план территории размещения илонакопителя Моспинского УПП Основным фактором загрязнения почв со стороны илонакопителя и площадки просушки

является ветровое рассеивание пылевых выбросов. Пыление происходит при ветровой эрозии отходов площадки просушки и сухих пляжей илонакопителя. В процессе осаждения компонентов выбросов на земную поверхность образуются вторичные ореолы рассеивания в почвах. Отходы углеобогащения характеризуются своеобразным геохимическим спектром, который отличается от геохимического спектра первичных почв. Это позволяет определить границы пылевого ореола, локализованного в почвенном слое.

Локальное загрязнение почв со стороны площадки просушки и илонакопителя происходит также в процессе водной миграции загрязнителей с поверхностным стоком в период паводков и


30

грунтовыми водами на участках подтопления. Наибольшее загрязнение при этом устанавливается в локальных понижениях и заболоченных участках поймы р. Грузская к югу от исследуемых объектов.

Пробы почв ежегодно отбирались в пределах одних и тех же площадок, расположенных по радиальной сети вокруг источника. Опробование почв производилось методом «конверта», объединенная проба составлялась из пяти частных проб, отбираемых в интервале глубин – 0-20 см. Створы, состоящие из 2-4 площадок отбора проб ориентированы на юго-запад к жилому сектору, на юг и юго-восток к р. Грузская с выходом на левый берег к жилым домам, на восток и северо-восток к жилому сектору. К северу от илонакопителя отбиралась одна проба у южной границы промплощадки. Одна объединенная проба составлялась из отходов углеобогащения, частные пробы которой отбирались по всему периметру площадки просушки. Такой подход позволил исследовать закономерности пылевого рассеивания отходов вокруг илонакопителя и площадки просушки, определить их зону влияния на почвы и исследовать динамику развития процесса загрязнения, особенно при смене геохимической специализации отходов.

В процессе четырех этапов мониторинга почв зоны влияния илонакопителя установлена динамика ореолов загрязнения, свидетельствующая об их крайней неустойчивости во времени и пространстве. Исследованиями установлено достаточно частое изменение геохимической специализации перерабатываемых на предприятии углей, что отражалось на строении ореолов и геохимическом спектре элементов-загрязнителей, образующих аномалии в прилегающих к илонакопителю почвах.

Степень суммарного загрязнения почв оценивалась в соответствии с общеизвестным показателем Zc, рассчитываемым по формуле [6]:

,

где Ксi – коэффициент концентрации i-го элемента в пробе, равный отношению концентрации i-го элемента к его региональному фоновому содержанию в почвах; n – количество элементов, коэффициент концентрации которых превышает 1.

Для изучения связи загрязнения почв с отходами углеобогащения, по результатам анализов проб отходов рассчитаны Кс токсичных элементов по отношению к их фоновым концентрациям в почвах. Подобный подход позволил выделить ореол рассеивания компонентов отходов, установить зону влияния илонакопителя и площадки просушки. Сравнительный анализ геохимического спектра отходов и аномалий в прилегающих почвах дает возможность отследить пространственно-временную динамику развития ореолов загрязнения в связи с илонакопителем и площадкой просушки.

Суммарное загрязнение почв прилегающей к илонакопителю территории характеризуется преимущественно допустимой степенью (рис. 2). В 2007 г. отмечается наименьшая степень суммарного загрязнения на уровне показателя Zc до 10 ед. Отходы углеобогащения при этом не выделяются существенными аномалиями токсичных элементов. В 2008 г. ситуация изменилась, степень суммарного загрязнения отходов выросла до средней категории загрязнения (Zc=14,6 ед.). Вокруг илонакопителя и площадки просушки сформировался ореол загрязнения с Zc от 10 до 16 ед., его внешние границы удалены на расстояние до 100 м от контура исследуемых объектов. В 2009 г. степень суммарного загрязнения осталась на том же уровне, ореол средней категории загрязнения допустимой степени несколько расширился, однако сохранил отчетливую пространственную приуроченность к илонакопителю и площадке просушки. В 2010 г. резко возросла степень суммарного загрязнения отходов углеобогащения (Zc=43,0 ед.) до опасной степени, что привело к некоторому увеличению масштабов и интенсивности ореола загрязнения почв по периферии илонакопителя. Устанавливается некоторое расширение загрязнения в восточном направлении вдоль автодороги, по которой отходы транспортируются на породный отвал МУПП.

Развитие ореолов суммарного загрязнения почв, контролируется илонакопителем и площадкой просушки, существенных изменений в степени и масштабах загрязнения в течение 2008-2010 годов не отмечается. Создается впечатление о стабильном, преимущественно допустимом характере сформированного ореола загрязнения почв прилегающей территории,


31

параметры которого (интенсивность, морфология, размеры и пространственная приуроченность) не зависят от уровня и характера загрязнения отходов. Так существенное загрязнение отходов в 2010 г. не сопровождается значительным ростом степени и масштабов загрязнения почв. Умеренно-опасная степень загрязнения почв установлена лишь в пробе к северу от илонакопителя вблизи границы промплощадки предприятия.

Однако при некоторой стабильности ореолов суммарного загрязнения на всем протяжении мониторинга спектр элементов загрязнителей существенно менялся, что отражалось на динамике распределения микроэлементов в прилегающих к илонакопителю почвах. Степень суммарного загрязнения почв в разные этапы мониторинга определяли концентрации кадмия, ртути, мышьяка, свинца и цинка.

Рис. 2. Динамика ореолов суммарного загрязнения почв в зоне влияния илонакопителя МУПП в течение четырех этапов мониторинга 2007-2010 г.г.

Кадмий основной индикаторный элемент загрязнения почв в связи с источниками добычи,

переработки и сжигания угля. В 2007 г. в отходах углеобогащения установлена концентрация кадмия на уровне флуктуации естественного фона почв (Кс=1,50 ед., фон – 1,0 мг/кг). Поэтому аномалий в связи с илонакопителем установлено не было (рис. 3). Небольшие аномалии кадмия с концентрацией 2-4 ед. геофона были выявлены за зоной влияния исследуемых объектов к востоку и западу от них.


32

Рис. 3. Динамика аномальных ореолов кадмия и ртути в почвах зоны влияния илонакопителя МУПП в течение четырех этапов мониторинга 2007-2010 г.г.


33

В 2008 и 2009 г.г. концентрация кадмия в отходах углеобогащения возросла до 7,0 и 6,0 ед. геофона, соответственно, что обусловило формирование аномалий в почвах по периметру участка размещения отходов. В процессе водной миграции к западу от илонакопителя и к югу от площадки просушки в локальном понижении, периодически подтапливаемом во время паводков, сформировалась точечная аномалия, несколько удаленная от границ исследуемых объектов.

В 2010 г. концентрация кадмия в отходах увеличилась до 12,5 мг/кг, вокруг участка размещения отходов сформировался масштабный аномальный ореол. Фоновая концентрация установлена лишь в одной пробе территории жилого сектора к западу от илонакопителя. На расстоянии 100-150 м от границ илонакопителя и площадки просушки выделяется зона с концентрацией более 4 мг/кг, то есть превышающей ПДК. Она не достигает границ жилого сектора, однако представляет с учетом установленной динамики загрязнения повышенную опасность.

Развитие аномальных ореолов ртути несколько отличается от поведения кадмия (рис. 3). В 2007 г. в отходах углеобогащения установлена аномальная концентрация на уровне 2,86 ед. геофона (фон – 0,035 мг/кг). При этом максимальные концентрации ртути установлены к югу от илонакопителя на уровне 4,29-4,86 ед. геофона. В целом вокруг илонакопителя выделялся масштабный аномальный ореол, границы которого удалены на 200 м от контура мест удаления отходов. В 2008 и 2009 г.г. аномальные ореол ртути вокруг илонакопителя несколько сократился. В 2010 г. ореол ртути еще более сократился. В отходах углеобогащения концентрация ртути составила 2,0 ед. геофона. Для аномалий ртути на всех этапах мониторинга устанавливается пространственная связь с илонакопителем и площадкой просушки. Удаленные от источника загрязнения аномалии ртути объясняются ее повышенной мобильностью, способностью мигрировать воздушным и водным путем. При этом интенсивность аномалий снижается, а их размеры расширяются. Некоторый пространственный отрыв аномалий ртути от источника загрязнения – часто наблюдаемое явление.

Распределение мышьяка в 2007 г. соответствовало флуктуации естественного фона в почвах – 1,9 мг/кг (рис. 4). В 2008 г. выделены два эпицентра загрязнения на уровне 4-10 ед. геофона. Первый – в связи с илонакоптелем, концентрация мышьяка в отходах углеобогащения установлена на уровне 5,16 ед. геофона. Второй – в жилом секторе к востоку от исследуемых объектов. В этом направлении осуществляется транспортировка отходов на породный отвал автомобильным транспортом. В результате сформирован ореол пылевого загрязнения отходами, что отчетливо проявилось в 2009 г., когда два эпицентра загрязнения почв мышьяком слились в один, вытянутый вдоль автодороги на северо-восток от илонакопителя к застроенной территории. В целом отмечается рост загрязнения почв мышьяком, во всех пробах установлены аномальные концентрации, превышающие местный фон в два и более раза. В 2010 г. ситуация резко изменилась, небольшая аномалия сохранилась к востоку от илонакопителя вне связи с ним. В отходах углеобогащения концентрация мышьяка составила 1,47 ед. геофона.

В течение 2007-2009 г.г. аномалии свинца в почвах исследуемой территории были незначительными и их связь с илонакопителем не устанавливалась (рис. 4). Вокруг илонакопителя концентрация свинца в почвах была несколько ниже, чем на удалении от него. Это объясняется тем, что концентрация свинца в отходах не превышала 2,0 ед. геофона. В 2007 г. единичная аномалия в 2,15 ед. геофона (фон – 20 мг/кг) была установлена в жилом секторе к западу от илонакопителя. В 2008 и 2009 г.г. на некотором удалении вокруг исследуемых объектов выделяются масштабные аномалии на уровне 2-4 ед. геофона. Лишь в 2010 г. устанавливается формирование ореола загрязнения почв свинцом со стороны илонакопителя, который накладывается на площадной аномальный ореол в 2-4 ед. геофона. Концентрация свинца в отходах углеобогащения достигает 10,3 ед. геофона, а по периферии илонакопителя и площадки просушки выделяется аномальная зона в 4-10 ед. геофона. По ней определяется зона влиянии илонакопителя на почвы прилегающей территории. Площадной ореол загрязнения почв свинцом не связан с деятельностью илонакопителя и характеризует региональный уровень загрязнения.

В течение 2007-2009 г.г. распределение цинка в почвах и отходах углеобогащения соответствовало флуктуации природного фона для почв – 70,0 мг/кг (рис. 5). Лишь в 2010 г. концентрации цинка в отходах углеобогащения увеличились до 18,15 ед. геофона, что отразилось формированием аномального ореола в прилегающих к илонакопителю почвах. Зона влияния исследуемых объектов при этом не превысила 100 м.


34

Рис. 4. Динамика аномальных ореолов мышьяка и свинца в почвах зоны влияния илонакопителя МУПП в течение четырех этапов мониторинга 2007-2010 г.г.


35

Рис. 5. Динамика аномальных ореолов цинка в почвах зоны влияния илонакопителя МУПП в течение четырех этапов мониторинга 2007-2010 г.г.

Исследованиями подтверждается вывод о неустойчивом характере техногенных аномалий

токсичных элементов в почвах, об их быстром динамичном развитии, обусловленном внешними природными и техногенными факторами. Под действием постоянно меняющихся природных факторов токсичные элементы переходят в подвижное состояние и мигрируют в грунтовые и поверхностные воды, вовлекаются в биогенный цикл. Особую роль в мобилизации техногенного вещества играют микробиологические показатели почв. Техногенные факторы определяют интенсивность и масштабы загрязнения, геохимический спектр формирующихся в почвах аномалий. Стабильность деятельности техногенного источника загрязнения обеспечивает постоянство аномалий в зоне его влияния, однако смена микроэлементного состава отходов сопровождается изменением геохимического спектра индикаторных элементов загрязнения почв.

Отходы углеобогащения служат источником интенсивного сульфатного засоления почв. Наиболее масштабное и интенсивное площадное засоление почв сульфатами установлено в 2007 г., когда степень загрязнения токсичными элементами была минимальной. Динамика засоления почв сульфатами согласовывается с изменениями их концентраций в отходах углеобогащения (рис. 6 и 7).

В 2008 и 2009 г.г. интенсивность площадного загрязнения сульфатами сократилась, отчетливо обозначилась зона влияния илонакопителя и площадки просушки, расширяемая в южном направлении за счет водной миграции. В этот же период отмечается рост загрязнения почв токсичными элементами. В 2010 г. ореол сульфатного загрязнения еще более сократился.

Сульфатное засоление развивается весьма динамично, сульфаты легко мигрируют в водоносные горизонты и р. Грузская. Об этом свидетельствует резкое изменение их концентраций в пределах исследуемых площадок, например, в одной и той же пробе в 2007 г. концентрация сульфатов составляла 28953,6 мг/кг, а в 2008 г. – 96,0 мг/кг. Тем не менее, регулярная деятельность источника и формирование за счет водной миграции определили относительную устойчивость ореолов сульфатного засоления.

Динамика основных показателей загрязнения почв зоны влияния илонакопителя в течение четырех этапов мониторинга устанавливается на графиках (рис. 6). При этом на рис. 6 приведены графики, построенные на основании расчетных средних значений показателей загрязнения по всем пробам почв, а на рис. 7 графики отражают динамику этих же показателей для отходов углеобогащения.


36

Рис. 6. Динамика основных показателей загрязнения в почвах зоны влияния илонакопителя МУПП в течение 2007-2010 г.г.

Рис. 7. Динамика основных показателей загрязнения в отходах углеобогащения МУПП в течение 2007–2010 г.г. Анализ графиков позволяет сделать два важных вывода:

1. Геохимический спектр ореолов загрязнения почв связан с геохимической специализацией угля. Характер динамических кривых в отходах и почвах аналогичен для всех показателей, различается лишь в уровне концентрирования. Изменение концентраций элементов в отходах приводил к согласованному их поведению в почвах. Так в 2007 г. небольшое концентрирование отмечается лишь для ртути, в 2008 и 2009 г.г. аномалии характерны для кадмия, мышьяка, в меньшей степени для ртути и свинца, в 2010 г. главную роль играют цинк, кадмий и свинец.

2. Устанавливается четкая закономерность в поведении токсичных элементов и сульфатов – чем выше концентрация сульфатов, тем ниже уровень суммарного загрязнения токсичными элементами и, наоборот. Это связано с различными условиями их миграции и локализации в рамках водной дифференциации. Сульфаты концентрируются в условиях повышенной кислотности, растворяются и мигрируют при повышении рН. Катионогенные элементы – большая часть токсичных элементов и тяжелых металлов, мигрируют в кислой среде и локализуются в условиях поверхности на щелочном барьере. Поэтому быстрая динамика ореолов загрязнения и засоления почв определяется установленной для региональных ореолов посезонной сменой почвенных условий [5].


37

Полученные в процессе мониторинга результаты позволяют по-новому оценить степень экологической опасности загрязнения почв. Быстрая динамика развития ореолов загрязнения почв, обусловленная скоростью процессов локализации элементов и их последующего выноса в контактирующие среды, позволяет говорить о высокой экологической опасности территорий, где постоянно, но на разных участках устанавливаются техногенные аномалии. Установленная динамика ореолов загрязнения почв указывает на высокую подвижность техногенного вещества, его способность мигрировать водными потоками и вовлекаться в биологические циклы. С учетом того, что техногенные компоненты, преимущественно токсичные микроэлементы и соли, нетипичны для естественного развития биосферы, их повышенные концентрации и подвижность могут представлять значительную экологическую опасность, степень которой при существующем уровне изученности достоверно оценить не представляется возможным. Полученные данные свидетельствуют о необходимости пересмотра системы мониторинга почв и контактирующих компонентов окружающей среды.


1. Алексеенко В.А. и др. Металлы в окружающей среде. Почвы геохимических ландшафтов Ростовской области: Учебное пособие. – М.: Логос, 2002. – 212 с.

2. Федорец Н.Г., Медведева М.В. Методика исследования почв урбанизированных территорий. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2009. – 84 с.

3. Экологический мониторинг: шаг за шагом. Е.В. Венецианов и др. Под ред. Е.А. Заика. – М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2003. – 252 с.

4. Королев В.А. Мониторинг геологической среды. М.: Изд-во МГУ, 1995. – 272 с. 5. Выборов С.Г., Силин А.А., Россеева Ю.Ю.,. Ливадняя Я.Ю,. Горбачева Е.Ю. Геохимические особенности

динамики развития техногенных аномалий в почвах. Опыт мониторинга состояния почв Донбасса. Наукові праці ДонНТУ. Серія «Гірничо-геологічна». – Вип. 15 (192). – Донецьк, ДонНТУ, 2011 р. – С. 309-316

6. СанПиН 4266-87. Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами. – М.: Минздрав СССР, 1987. – 25 с.


С. Г. Виборов

ДВНЗ «Донецький національній технічний університет» , Донецьк, Україна

Динаміка забруднення грунтів у зв'язку відходами вуглезбагачення

Розглядаються питання просторово-часової динаміки техногенних аномалій у грунтах. Отримані результати регулярного моніторингу дозволяють по-новому оцінювати екологічну небезпеку ореолів забруднення. Накопичені в них токсичні елементи періодично переходять у рухомий стан і мігрують водними розчинами в дотичні середовища, включаючи живі організми.

Ключові слова: грунт, ореоли забруднення, техногенні аномалії, просторово-часова динаміка, важкі метали, регулярний моніторинг.

S. Vyborov


Dynamics of soil contamination with coal wastes

The paper considers the dynamics of man-made anomalies in soils. The results obtained by monitoring provide a new estimation of ecological hazard in contaminated areas. Toxic elemets accumulate there and come as water solutions in contacting mediums including living organisms.

Keywords: soil, man-made anomalies, spatial-temporal dynamics, heavy metals, regular monitoring.


38

УДК 552.3+551.14

Е. В. Седова1, канд. геол. наук, Е. М. Шеремет2, д-р геол.-мин. наук 1 ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», Донецк, Украина

2 Украинский государственный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики и маркшейдерского дела (УкрНИМИ), Донецк, Украина

Сравнение протерозойских редкометальных гранитов Украинского щита с протерозойскими

редкометальными гранитами мира

На основе петрогеохимического сравнения редкометальных гранитов заключительного этапа протерозойской тектоно-магматической активизации Украинского щита, Белоруссии и запада Восточно-Европейской платформы делается вывод об однотипном мантийном источнике их редкометальной специфики.

Ключевые слова: редкометальные граниты, Украинский щит, Балтийский щит, Белорусский массив, протерозойская тектоно-магматическая активизация.

Введение

В протерозойское время после стадии кратонизации (2,5-1,9 млрд лет) в ранней геологической истории Земли впервые проявились процессы тектоно-магматической активизации, которые сопровождались широкими сводовыми поднятиями и крупными положительными термальными и гравитационными аномалиями («горячими точками») [1]. В ходе протерозойской тектоно-магматической активизации (ТМА) архейский фундамент и перекрывающие его отложения подверглись разрывообразованию, метаморфизму и внедрению гранитов и др. магматических пород. Вязкая протерозойская кора, расположенная над зоной потока мантийной конвективной ячейки, растягивалась под действием вязкого течения, и происходили процессы магмообразования.

В различных регионах мира зафиксирована однотипная эволюция магмообразования от становления крупных батолитообразных плутонов гранитов рапакиви до заключительных стадий формирования редкометальных гранитов с тождественным характером рудообразования.

Сравнение вещественного состава редкометальных гранитоидов областей протерозойской тектоно-магматической активизации и их рудоносности имеет смысл в плане выяснения тождества и различий проявлений внутриплитного магматизма древних эпох Земли в пределах щитов с формированием редкометальных гранитов на заключительных этапах. Такое сравнение в случае их тождественности дает ответ на вопрос о подобии процессов рудообразования в протерозойскую эпоху тектоно-магматической активизации Земли и, следовательно, редкометальная специализация гранитов и связанного с ними оруденения определяется глубинными мантийными источниками. Если же между ними существуют различия, то рудообразование определяется в большей мере составом переработанного субстрата (наличием в нем повышенных концентраций рудных компонентов, экстрагирующихся в процессе расплавления и уходящих во флюиды).

Петрологогеохимическая характеристика редкометальных гранитодов протерозойского тектоно-магматического этапа УЩ, Белоруссии и запада ВЕП

Геологическая характеристика

Гранитоидный магматизм протерозойской ТМА Украинского щита представлен формациями гранитов рапакиви (коростенский комплекс), субщелочных гранит-граносиенитов (восточно-приазовский комплекс) и редкометальных субщелочных лейкогранитов и аляскитов (каменномогильские, лезниковские, пержанские граниты). © Е. В. Седова, Е. М. Шеремет, 2014


39

Геология протерозойских редкометальных гранитов УЩ детально описана в работе Шеремета и др. [2].

Гранитоидный магматизм протерозойской ТМА Белорусского кристаллического массива представлен формациями субщелочных гранит-гранодиоритов (мостовский комплекс) и редкометальных субщелочных лейкогранитов и аляскитов (житковичский комплекс). На Балтийском щите проявления гранитоидного магматизма протерозойской (1,85-1,6 млрд лет) ТМА известны в виде широко распространенной формации гранитов рапакиви и ряда других гранитоидных формаций на северо-западе Кольского полуострова.

Массивы гранитоидов формации рапакиви образуют пояс юго-западного – северо-восточного простирания: Улялегский, Салминский, Выборгский с его сателлитами Суоменниеми и Ахвенисто, Лайтилский, Вехмааский, Аландский (рис. 1) [1].

Рисунок 1 – Схема расположения плутонов гранитов рапакиви в юго-восточной части Балтийского щита. 1 – анортозиты, 2 – граниты рапакиви, 3 – западный край Восточно-Европейской платформы по

А. А. Богданову [3]. Цифры на схеме: плутоны рапакиви: 1 – Лайтила, 2 – Вехмааский, 3 – Аландский, 4 – Ахвенисто, 5 – Суоменниеми, 6 – Выборгский, 7 – Салминский, 8 – Улялегский. Штоки: 9 – Кюми, 10 – Эурайоки

Этот прерывистый пояс плутонов формации гранитов рапакиви не имеет никакой видимой

связи с более древними структурами и хорошо коррелируется с более поздними депрессиями, выполненными рифейскими отложениями [1]. С гранитами рапакиви часто ассоциируют габбро-анортозиты, которые рядом исследователей [1] объединяются в единую габбро-анортозитовую формацию.

Интрузии гранитов рапакиви Балтийского щита формировались в гипабиссальных условиях, так как окружены маломощными зонами скарнирования и ороговикования вмещающих пород. В целом, среди гранитоидов формации рапакиви Балтийского щита можно выделить несколько фаз, из которых к главной фазе относятся биотит-роговообманковые и биотитовые крупнозернистые порфировидные и овоидные гранодиориты и граниты (Выборгский массив и большая (юго-восточная) часть Салминского массива. Биотитовые граниты (Салминский массив) и биотитовые мелкозернистые и порфировидные трахитоидные граниты (Выборгский массив) слагают II фазу. Акцессорные минералы в гранитах главной фазы представлены ильменитом, цирконом, апатитом, рутилом, анатазом, флюоритом, бастнезитом и др.; в гранитах второй фазы возрастает роль флюорита, топаза, встречается молибденит, гранат, колумбит, берилл и др. [4-8].

В пределах массивов гранитов рапакиви выделяются отдельные мелкие по отношению к главным плутонам массивы более поздних порфировидных биотитовых гранитов с редкометальной минерализацией. Они известны в Выборгском массиве – «гранитный комплекс Кюми», в Салминском массиве – два крупных (80 и 150 км2) штока мелкозернистых гранитов в его западной части, в Лайтилском массиве – шток Эурайоки (90 км2) и т.д., и, скорее всего, представляют собой формацию редкометальных лейкогранитов и аляскитов, формировавшихся на заключительных стадиях магматизма ТМА.


40

В пределах штока Эурайоки, в его эндоконтактовой части, распространены грейзеновые тела, которые слагают площадь 6-9 км в диаметре. Некоторые из грейзеновых тел содержат различное количество сульфидов, касситерит, вольфрамит, молибденит, гентгельвин, берилл или бертрандит, топаз. Последний есть также в гранитах штока (тип Бакара).

Граниты штока Кюми Выборгского плутона являются также топазсодержащими. Во внешней части массива распространены пегматитовые жилы с топазом, флюоритом, молибденитом, бастнезитом, монацитом и арсенопиритом. Вокруг массива Кюми встречены также грейзеновые и кварцевые тела. Большинство из них пустые, но некоторые содержат касситерит, вольфрамит, гентгельвин, берилл, топаз и сульфиды: галенит, сфалерит, халькопирит, арсенопирит и др. [9-11].

В пределах Салминского и Улялегского массивов гранитов рапакиви юго-восточной части Балтийского щита известна Улялегско-Салминская оловянно-редкометально-флюорит-титановая полиметаллическая зона [3, 12] с проявлениями оловянно-редкометально-полиметаллического оруденения. Она имеет протяженность до 70 км при ширине 4-5 км. Здесь известны многочисленные оловорудные проявления, относящиеся к скарновым и скарново-грейзеновым типам. Кроме вышеотмеченных оловорудных проявлений в пределах данной рудной зоны известны еще многочисленные рудопроявления олова, молибдена, тантала и др. металлов в альбититах, грейзенах и альбитизированньх гранитах, которые генетически связаны с III фазой гранитов рапакиви [3, 12]. Грейзены часто содержат топаз, флюорит, касситерит-танталит-колумбитовую минерализацию с содержаниями пятиокиси тантала от 30-50 г/т до 200 г/т и пятиокиси ниобия до 100-200 г/т. В некоторых грейзенизированных гранитах западного крыла Укскиской структуры вблизи рудных тел грейзенов в их экзоконтактовой зоне установлено вкрапленное молибденовое оруденение с содержанием металла до 2 % и танталит-колумбитовая минерализация с содержаниями пятиокиси тантала 40-50 г/т и пятиокиси ниобия 100-200 г/т.

В северо-восточной части Балтийского щита, на Кольском полуострове, к субплатформенному этапу стадии активизации – оживления консолидированных структур (1,8-1,5 млрд лет) относят [13] формации: щелочных гранитов и сиенитов, гранодиорит-гранитов и субщелочных редкометальных гранитов и аляскитов (рис. 2).

Рисунок 2 – Схема размещения интрузий гранитоидов формаций ТМА Кольского п-ова по [14]. Формация щелочных гранит-граносиенитов: 1 – эгирин-арфведсонитовые граниты; 2 – лепидомелан-феррогастингситовые и авгит-лепидомелановые граниты и гранодиориты; 3 – формация субщелочных гранодиорит-гранитов (включая ювоайвский комплекс), 4 – формация редкометальных лейкогранитов.


41

Ювоайвский комплекс редкометальных гранитов расположен в западной части Кольского полуострова на участке пересечения двух зон глубинных нарушений северо-восточного и субширотного простираний. В состав комплекса входят два массива – Ювоайвский и горы Учабюоайв и пояс гранит-порфировых даек на площади 2,5×7 км. Ювоайвский массив имеет площадь 42 км2 и сложен преимущественно среднезернистыми неяснопорфировидными лейкократовыми плагиоклаз-микроклиновыми гранитами. Граниты в эндоконтактовой зоне массива и в дайках сильно альбитизированы и представляют собой альбитовые граниты. Экзоконтактовый ореол на юге массива достигает 3 км и в его пределах породы гранулитового комплекса подвержены процессам альбитизации, фельдшпатизации, окварцевании, хлоритизации, серицитизации, биотитизации. Формирование массива завершается образованием субмеридиональных участков кварцевых и грейзеновых жил [13, 14] и альбитовых гранитов. Слабая альбитизация и грейзенизация гранитов отчетливо проявлена в центральной части массива, но максимальной интенсивности она достигает в широкой субмеридиональной полосе повышенной трещиноватости и в юго-восточной эндоконтактной зоне, где граниты главной фазы и дайки-апофизы превращены в топазовые апограниты.

Массив горы Учабюоайв имеет форму штока, сложенного сильно измененными гранит-порфирами и грейзенами. Массив на поверхности имеет форму овала площадью 0,4 км2. Топазовые альбитизированные граниты и гранит-порфиры образуют останцы среди среднезернистых массивных грейзенов. В центре штока в грейзенах развиты кварцевые и кварц-флюоритовые жилы, в зоне сгущения которых расположена флюорит-кварцевая труба с оторочкой из топаз-мусковитовых грейзенов. Вертикальная протяженность штока по геофизическим данным составляет порядка 600-700 м и под его корневой частью прослеживается скрытый гранитный гребень, соединяющийся с массивом Ювоайв.

Возраст ювоайвского комплекса по данным изотопных определений составляет 1720-1780 млн. лет [13].

Формация редкометальных лейкогранитов и аляскитов. Согласно [13] массивы формации редкометальных лейкогранитов расположены в центральной и юго-восточной частях Кольского полуострова (см. рис. 2). Они имеют меньшее распространение по сравнению с другими гранитоидными формациями протерозойской ТМА. Массивы приурочены к зонам глубинных разломов север-северо-восточного простирания и к зоне сочленения Мурманского блока с Кейвским синклинорием. Массивы имеют площадь от 8-10 км2 до 250 км2 (Стрельнинский массив), секущие контакты с вмещающими породами, интенсивные изменения в экзо- и эндоконтактовых зонах и т.д. Сложены они плагиоклаз-микроклиновыми гранитами, гранит-аплитами, гранит-пегматитами и сингенетическими пегматитами. Породы формации характеризуются низким содержанием акцессорных минералов и представлены цирконом, магнетитом, апатитом, пиритом, гранатом, флюоритом, ксенотимом и др. [13]. Абсолютный возраст формации составляет 1840±30(100) млн лет – свинцово-изохронный метод, и по методу Кренса-Везерилла – І890±90(290) млн лет [15].

Петрохимические составы

Средние химические составы и петрохимические пересчеты по [16] главных разновидностей пород формаций редкометальных субщелочных лейкогранитов и аляскитов приведены в таблице 1. Граниты всех рассматриваемых регионов характеризуются высокими содержаниями кремнезема (73,5-76 %) и суммы щелочей (7,9-8,7 %). Согласно классификации [17] они относятся к субщелочным лейкогранитам. В петрохимическом пересчете по [16] это выражается в значительном содержании свободного кремнезема (Q = 29-35 %) и преобладании величин kSi = 2,9-3,1, свидетельствующих о субщелочном составе пород. Содержания анортитовой молекулы – An = 1,7-3,4 % в нормативном составе пород подразумевает присутствие альбита до № 10.

Субщелочной состав рассматриваемых пород подчеркивается и величинами коэффициентов агпаитности редкометальных лейкогранитов, которые близки к единице (kа = 0,87-0,97). Содержания калия и натрия в химическом составе пород примерно равны, о чем свидетельствуют коэффициенты kk = K/Na=0,8-1,0. Содержания нормативного темноцветного компонента (% Fem) в лейкогранитах невелики и находятся в интервале 2,0-4,5 %.


42


43

Сравнение составов рассматриваемых пород свидетельствует о полной тождественности редкометальных лейкогранитов и аляскитов Белорусского кристаллического массива, Украинского щита и южной части Балтийского щита. Что касается лейкогранитов Кольского п-ова, то ближе всего к лейкогранитам отмеченных регионов по химическим составам и петрохимическим параметрам (AF, %Q, kа, kk) приближаются редкометальные граниты ювоайвского комплекса Кольского п-ова. Но для них характерна величина kSi = 3,2, подразумевающая присутствие в нормативном составе не альбита, а олигоклаза, и более высокое, чем в рассмотренных гранитах, содержание анортитовой молекулы (An=5,7 %). И совсем уже отличаются от большинства редкометальных лейкогранитов породы формации лейкогранитов и аляскитов Кольского п-ова (Стрельнинский массив и др.). Это и более низкие содержания свободного кремнезема (Q=25,1) и значительное преобладание в составе щелочей натрия над калием (kk=0,5) и коэффициент kSi = 3,2 и относительно высокие содержания анортитовой молекулы (An=6,2%).

Все вышеотмеченное наглядно отображено на рис. 3. Все рассматриваемые лейкограниты, за исключением гранитов Кольского п-ова на диаграммах расположены по величинам kSi в поле «щелочные сиениты», а лейкограниты Кольского п-ова – в поле «граниты».

Рисунок 3 – Петрохимические составы гранитов формации редкометальных субщелочных лейкогранитов и аляскитов заключительной стадии протерозойской ТМА запада Восточно-Европейской платформы на

диаграммах по Стефановой [16]. 1 – Белорусский массив, 2 – Украинский щит, 3 – Кольский п-ов, 4 – южная часть Балтийского щита. Цифры на рисунках соответствуют табл. 1. Кривые на рис.: а – средние составы магматических пород по Нокколдсу

[16], б – гранодиориты, адамеллиты, нраниты (без Al) по Нокколдсу [16], в – то же, что и «б» но с Al.

По соотношениям kSi – %Fem и kSi – kа все лейкограниты отвечают средним составам

магматических пород по Нокколдсу. Можно говорить только о несоответствии между этими величинами (отклонение от кривой средних составов пород «а» (рис. 3 а) для Стрельнинских лейкогранитов Кольского п-ова. По соотношениям kSi – %Q и kSi – %Fem лейкограниты запада Восточно-Европейской платформы отклоняются от кривых средних составов магматических пород по Нокколдсу в сторону больших содержаний свободного кремнезема (%Q) и меньших содержаний темноцветного компонента (%Fem). Соотношение kSi – kk, как это видно из рис. 3 в, соответствует средним составам магматических пород по Нокколдсу только для лейкогранитов ювоайвского комплекса Кольского п-ова. Для гранитов Стрельнинского массива и др. Кольского п-ова наблюдается значительное отклонение составов по этому параметру в сторону меньших его значений.

Химические составы биотитов

Усредненные характеристики биотитов гранитов формации лейкогранитов и аляскитов запада Восточно-Европейской платформы приведены в табл. 2 и отображены на рис. 4. Как и по химическому составу пород, лейкограниты сравниваемых регионов по химическим составам биотитов разделились на несколько групп.


44

Таблица 2 – Усредненные характеристики биотитов редкометальных гранитов протерезойской ТМА запада Восточно-Европейской платформы

в % на 100 % Число

анализов MgFeSiAl

All

MgFe

Fef

FeO+MnO Fe2O3+TiO2 MgO

1 2 3 4 5 6 1. Белорусский кристаллический массив. Житковичский комплекс

8 19,3 84,8 63,6 18,8 17,6 2. Украинский щит. Приазовский блок. Каменномогильский комплекс

12 29,3 96,9 76,5 20,0 3,5 Северо-Западный блок:

а) граниты лезниковского типа 8 23,3 96,3 83,3 13,0 3,7

б) граниты пержанского типа 2 19,3 96,2 80,6 15,5 3,9

3. Балтийский щит. Кольский полуостров по [13] а) формация гранитов и аляскитов (Стрельниковский массив)

2 25,4 79,3 65,6 13,8 20,6 б) субформация редкометальных лейкогранитов (Ювоайвский комплекс)

2 20,7 51,6 37,4 13,3 49,3 Южная часть Балтийского щита. Лейкократовые граниты Салминского массива по [18]

2 22,6 92,8 77,3 15,7 7,0 Первую основную группу образовали редкометальные лейкограниты Украинского щита и

южной части Балтийского щита. Для нее характерны высокожелезистые составы биотитов (f=93-96%) при резком преобладании (при пересчете на 100%) двухвалентного железа (FeO+MgO=77-85%) над магнием (MgO=3,5-7%) и суммой трехвалентного железа и титана (Fe2O3+TiO2=13-20%). Составы биотитов этой группы на тройной диаграмме по Энгелям [19] расположились в области «граниты-пегматиты» (рис. 4).

Рисунок 4 – Средние химические составы биотитов гранитов формаций редкометальных субщелочных лейкогранитов протерозойской ТМА запада Восточно-Европейской платформы на диаграмме по Энгелям [19]. Белорусский массив: 1 – житковичский комплекс. Украинский щит: 2 – каменномогильские граниты, 3 – лезниковские граниты, 4 – пержанские граниты. Балтийский щит: 5 – лейкограниты Стрельниковского

массива и др., 6 – ювоайский комплекс, 7 – лейкограниты Салминского массива.


45

Вторую группу составили редкометальные лейкограниты Белорусского кристаллического массива (житковичский комплекс) и лейкограниты Кольского п-ова (Стрельниковский массив и др.). Химические составы биотитов этих пород характеризуются относительно высокой железистостью (f=80-85%) при преобладании двухвалентного железа (FeO+MgO=63-65%) над MgO (18-20%) и суммой трехвалентного железа и титана (Fe2O3+TiO2= 14-19%). На диаграмме по [19] (рис. 4) они занимают область «гнейсы-граниты».

Третью группу образовали в единственном числе биотиты редкометальных лейкогранитов ювоайвского комплекса Кольского п-ова. Для них характерна умеренная железистость (f=51,6%) при преобладании магния (MgO=49,3%) над двухвалентным железом (FeO+MgO=37,4%) и суммой трехвалентного железа и титана (Fe2O3+TiO2= 13,3%). Составы биотитов ювоайвского комплекса расположились в области «диориты-габбро» диаграммы по [19] (рис. 4).

Глиноземистость биотитов всех рассматриваемых лейкогранитов варьирует довольно значительно даже в пределах, выделяемых по железистости групп, отражая неодинаковую индивидуальную щелочность при кристаллизации этих минералов каждого конкретного типа гранитов. Она изменяется от III группы щелочности по Маракушеву [20] до I (рис. 5).

Рисунок 5 – Средние химические составы биотитов гранитов формации редкометальных субщелочных лейкогранитов протерозойской ТМА запада Восточно-Европейской платформы на диаграмме [21]

Условные обозначения см. рис. 3. Таким образом, если сравнить петрохимические составы лейкогранитов Белорусского

кристаллического массива, Украинского и Балтийского щитов, то, очевидно, что наиболее отличаются от всех лейкограниты Кольского п-ова. При этом, если редкометальные лейкограниты ювоайвского комплекса Кольского п-ова имеют не столь существенные петрохимические различия, то по химическому составу биотитов они явно отличаются. И, напротив, лейкограниты и аляскиты (Стрельнинский массив и др.) имеют относительно близкие со сравниваемыми лейкогранитами рассматриваемых регионов химические составы биотитов, но резко отличные петрохимические составы.

Редкоэлементные составы лейкогранитов и аляскитов

Как видно из табл. 3 и для формаций лейкогранитов и аляскитов Белорусского кристаллического массива, Украинского и Балтийского щитов характерны высокие содержания,


46

значительно выше кларковых концентраций для гранитов (в 2-10 раз) по [22], фтора, лития, рубидия, бериллия, олова, молибдена, свинца, цинка и аномально низкие концентрации бария и стронция, что находит свое отражение в чрезвычайно низких K/Rb и Ba/Rb отношениях (соответственно 80-170 и 0,1-0,9).

Наиболее высокие содержания фтора, в 5-12 раз выше средних содержаний для гранитов по [22], характерны для редкометальных лейкогранитов южной части Балтийского щита, непосредственно связанных с формацией гранитов рапакиви. Им также присущи наиболее высокие из всех сравниваемых гранитов содержания бериллия и олова.

Очень высокие содержания фтора, лития, рубидия, бериллия, олова, молибдена, свинца, отчасти цинка наблюдаются в редкометальных лейкогранитах Украинского щита, сформировавшихся после становления как гранитов формации рапакиви так и пород гранит-граносиенитовой субщелочной формации.

Наиболее низкие концентрации фтора, лития, рубидия, из всех рассматриваемых лейкогранитов фиксируются в редкометальных лейкогранитах Белорусского кристаллического массива и Кольского п-ова (ювоайвский комплекс). Для них характерны также самые высокие среди лейкогранитов концентрации бария и стронция, а также ванидия и хрома. Высокие содержания бария и низкие рубидия выражаются в самых больших величинах Ba/Rb и K/Rb отношений (соответственно 0,9-1,4 и 175-148). Индивидуальной особенностью лейкогранитов ювоайвского комплекса Кольского п-ова являются резко повышенные концентрации молибдена – 22,7 г/т.

Таблица 3 – Редкоэлементный состав формации редкометальных лейкогранитов и аляскитов заключительной стадии протерозойской ТМА запада восточно-Европейской платформы

БКМ Украинский щит Балтийский щит

Элементы

Житкович-ский

комплекс

Камен-номогильский

комплекс

Лезни-ковские граниты

Пержан-ские

граниты

Кольский

п-ов, Ювоайвский

комплекс

Салминский массив, заключит.

фаза

Выборгский

массив, шток Кюми

Массив Лайтила, шток Эурайоки

1 2 3 4 5 6 7 8 9 K 3,9 3,5 3,8 3,8 4,0 4,2 4,4 4,0 Na 2,8 2,6 2,5 2,6 2,5 2,5 2,6 2,3 F 0,14 0,24 0,22 0,17 - 0,4 1,07 1,03 Li 42 170 71 185 - 190х и хх 163 226 Rb 222 563 393 645 270 530х (760хх) 927 770 Be 9,4 6,1 7 12 - 14,5хх 17,9 4 Ba 196 66 93 41 374 180хх 100 108 Sr 74 46 40 45 105 14 40 40 Sn 11,5 19,0 6,6 29 9,5 23х (7хх) 19 72 Mo 2,1 2,7 3,7 5,3 22,7 - - - Pb 57 85 51 62 123 - - - Zn 231 40 68 14 - - - - V 14,4 3,1 4,5 3,3 17,2 - - - Cr 17 6,4 5,7 5,9 10 - - - Co 6 2,5 3 3 3 - - - Ni 12 5 5 5 8 - - -

K/Rb 175 62 97 59 148 79 47 52 Ba/Rb 0,9 0,12 0,24 0,06 1,4 0,34 0,11 0,14

n 38 26 16 56 14+ -х; 10хх 40ххх 31ххх Примечание. K, Na, F – в %, остальные – в г/т. n – число проб, «+» - [13], - – нет данных.

Х – по [23], ХХ – по [1], ХХХ – по [9-11].


47

Несомненно, что все рассматриваемые редкометальные лейкограниты сформировались в заключительную стадию протерозойской тектоно-магматической активизации и по отношению к главным формациям основного этапа характеризуются четко проявленной геохимической редкоэлементной специализацией.

Петрогеохимическая эволюция гранитоидного магматизма протерозойской тектоно-магматической активизации запада Восточно-Европейской платформы проявилась в формировании все более кислых и редкометальных расплавов на завершающих ее этапах.

Выводы

Формация редкометальных субщелочных гранитов и аляскитов заключительного этапа протерозойской ТМА Белорусского кристаллического массива (житковичский комплекс), Украинского щита (каменномогильские, лезниковские, пержанские граниты) и южной части Балтийского щита (лейкограниты Салминского массива, шток Кюми Выборгского плутона, шток Эурайоки плутона Лайтила) тождественны между собой по петрохимии, химсоставу биотитов, по резко повышенным содержаниям фтора, лития, рубидия, олова, бериллия, свинца, цинка, молибдена и чрезмерно низким концентрациям бария и стронция. Формация редкометальных гранитов Кольского п-ова (ювоайвский комплекс) отличается от подобных образований вышеотмеченных регионов некоторыми петрохимическими отличиями и химсоставами биотитов, повышенными содержаниями бария и стронция, а также ванадия, кобальта, хрома, никеля.

Несомненно, что все рассматриваемые лейкограниты сформировались в заключительную стадию протерозойской тектоно-магматической активизации и по отношению к главным формациям основного этапа характеризуются четко проявленной геохимической редкоэлементной специализацией.

Петрогеохимическая эволюция гранитоидного магматизма протерозойской тектоно-магматической активизации запада Восточно-Европейской платформы проявилась в формировании все более кислых и редкометальных расплавов на завершающих ее этапах.

Тождественность петрогеохимических составов редкометальных гранитов мира периода протерозойской тектоно-магматической активизации однозначно свидетельствует о мантийном источнике их редкометальной специализации.


1. Анортозит–рапакивигранитная формация Восточно-Европейской платформы / [Великославинский Д. А., Биркис А. П., Богатиков О. А. и др.]. — Л. : Наука, 1978. — 296 с.

2. Шеремет Е. М. Редкометальные граниты Украинского щита / Кривдик С. Г., Седова Е. В. — Донецк : Вебер, 2014. — 250 с.

3. Хазов Р. А. Металлогения Ладожско-Вотнического геоблока Балтийского щита. — Л. : Наука, 1982. — 192 с. 4. Беляев А. М. Минералого–геохимическая специализация гранитов рапакиви Выборгского массива //

Вестник ЛГУ.— 1983. —Т.1. — С. 13 — 22. 5. Никольская Ж. Д. новые данные по геологии и металлогении Салминского массива рапакиви Карелия //

Структурные и магматические факторы контроля эндогенного оруденения. — Л. : Недра, 1975. — С. 52 — 57. 6. Никольская Ж. Д., Гордиенко Л. И. Петрология и металлогения гранитоидных формаций Карелии. — Л. :

Недра, 1977. — 152 с. 7. Никольская Ж. Д., Ларина А. М. Типы и закономерности размещения редкометального оруденения

Северного Приладожья // Структурные и магматические факторы контроля эндогенного оруденения. — Л. : Недра, 1975. — С. 22 — 23.

8. Оровецкий Ю. П. Проблема глубинного магматического диапиризма на территории Украинского щита // Геофизический журнал АН УССР. — 1979. — Т. 3, № 3.— С. 88 — 97.

9. Haapala J. Some petrological and geochemical characteristics of rapacivi granites varieties assosisted whis greissen tipe Sn, Be and W mineralisation in the Eurajoki and Kumi areas Southern Finland // Metallization associated with acid magmatism. — 1974, Vol.7. — P.159–169.

10. Haapala J. Petrographic and geochemical characteristics of rapacivi granite varirty associated with greisen-type Sn, Be and W mineralisation in the Eurajoki and Kumi areas, Southern Finland // Metallisatyon associated with acid magmatism. — 1978, Vol. 3. — P. 217—225.

11. Haapala J., Ojanperä. Gentelvite-bearing greisens in Southern Finland // Geol. Surv. of Finland. — 1972. — Bulletin. V. 259. — P. 5—22.


48

12. Хазов Р.А. Геологические особенности оловянного оруденения Северного Приладожья. — Л. : Наука, 1973 — 87 с.

13. Гранитоидные формации докембрия северо-восточной части Балтийского щита / [Батиева И. Д., Бельков И. В., Ветрин В. Р. и др]. — Л. : Наука, 1978. — 264 с.

14. Батиева И. Д., Бельков И. В. Гранитоидные формации Кольского полуострова // Очерки по петрологии и металлогении гранитоидов Кольского полуострова. — Л. : Наука, 1968. — С.5—144.

15. Ветрин В. Р. О возрастных соотношениях пород формаций лейкократовых гранитов–аляскитов и щелочных гранитов–сиенитов // Материалы по геологии и металлогении Кольского полуострова. — Апатиты : 1970. — Вып. 1. — С. 143 — 147.

16. Стефанова М. С. Петрохимия магматических пород. — М. : Мир, 1980. — С. 253 — 263. 17. Классификация и номенклатура магматических горных пород. Справочное пособие / [Богатиков О. А.,

Гоньшакова В. И., Ефремова С. В. и др.]. — М. : Недра, 1981. — 160 с. 18. Свириденко Л. П. Петрология Салминского массива гранитов рапакиви (в Карелии) // Труды

Карельского фил. АН СССР. — 1968. — Вып. 3. — 116 с. 19. Engel A. E. J., Engel C. G. Progressive metamorphism and granitisation of the major paragenesis Northwest

Adirondack Mountains. New York, Pt.2, Mineralogy // Geol. Soc. Amer. Bull. —1960. — V.71, N 1. — P. 1—58. 20. Маракушев А. А., Тарарин И. А. О минералогических критериях щелочности гранитоидов // Изв. АН

СССР. Сер. геол. — 1965. — № 3. — С. 20 — 37. 21. Иванов В. С. О влиянии температуры и химический активности калия на состав биотита в гранитоидах

(на примере Западно- и Восточно-Мультинского интрузивов Центральной Чукотки) // Изв. АН СССР. Сер. геол. — 1976. — № 7. — С. 20 — 30.

22. Виноградов А. П. Среднее содержание химических элементов в главных типах изверженных горных пород // Геохимия, № 7., 1962 — С. 560 — 561.

23. Докембрийские оловоносные граниты Северного Приладожья / [Руб М. Г., Амшихина Н. А., Хазов Р.А. и др.] // Изв. АН СССР. Сер. геол. — 1975. — № 4. — С. 42 — 59.


О. В. Седова1, Є. М. Шеремет2 1 ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», Донецьк, Україна 2 Український державний науково-дослідниий и проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки и маркшейдерської справи НАН України, Донецьк

Порівняння протерозойських рідкіснометалевих гранітів Українського щита з протерозойськими рідкіснометалевими гранітами світу

На основі петрогеохімічного порівняння рідкіснометалевих гранітів кінцевого етапу протерозойської тектоно-магматичної активізації Українського щита, Білорусі і заходу Східно-Європейської платформи робиться висновок про однотипне мантійне джерело їхньої рідкіснометалевої специфіки.

Ключові слова: рідкіснометалеві граніти, Український щит, Балтійський щит, Білоруський масив, протерозойська тектоно-магматична активізація.

Ye. V. Sedova1, Ye. V. Sheremet2 1 Donetsk National Technical University, Donetsk, Ukraine 2 Ukrainian State Scientific-Research and Design Institute of Mining Geology, Rock Mechanics and Mine Surveying (UkrNDMI), Donetsk, Ukraine

Comparison of proterozoic rare-metal granites of the Ukrainian shield with proterozoic rare-metal granites worldwide

Based on the petrogeochemical comparison of rare-metal granites of the final stage of Proterozoic tectonomagmatism of the Ukrainian Shield, Belarus and west of the East-European platform we make conclusion that their rare-metal unique features are of the same mantle source.

Keywords: rare-metal granites, Ukrainian Shield, Baltic Shield, Belarus massif, Proterozoic tectonomagmatism.


49

УДК 622.028

И. А. Южанин, канд. техн. наук, И. А. Колдунов, канд. техн. наук, А. М. Терлецкий

УкрНИМИ НАНУ, Донецк, Украина

Инструментальные исследования проявления горного давления в шахтных стволах

В статье приведены результаты многолетних инструментальных наблюдений за проявлением горного давления в клетевом стволе № 8 шахты им. В. И. Ленина («Артемуголь») и в воздухоподающем стволе шахты им. Челюскинцев («Донецкуголь»), и на этой основе сделаны выводы про закономерности деформирования крепи стволов. Полученные результаты работы будут использованы для разработки научных основ создания способов и средств обеспечения надежной эксплуатации шахтных стволов.

Ключевые слова: инструментальные наблюдения, горное давление, шахтные стволы, деформирование крепи.

Вопросы охраны и поддержания вертикальных шахтных стволов всегда были одними из наиболее сложных в горной практике.

Безаварийная эксплуатация шахтных стволов связана с решением следующих задач:

– охраной их от влияния очистных выработок; – обеспечением рациональных условий поддержания стволов путем выбора вида и параметров крепи, соответствующих прочностным и деформационным характеристикам окружающих пород.

Необходимость решения этих задач обострилась в 80-х годах прошлого века, что связано с увеличением глубины разработки до 800 м и более. В этих условиях двух-, а тем более трех- и четырехстороннее оконтуривание предохранительных целиков очистными выработками во многих случаях приводило к повреждениям крепи и армировки, особенно в районах сопряжений стволов с околоствольными выработками.

Более детальное исследование этого вопроса показало, что в основе его лежит не вполне корректный геомеханический подход к построению предохранительных целиков 1, 2. На малых и средних глубинах разработки влияние очистных выработок на вертикальные шахтные стволы сказывалось в основном в форме сдвижения породного массива. С увеличением глубины ведения горных работ возрастает роль влияния на стволы опорного давления от очистных выработок, оконтуривающих предохранительный целик. Если при малых и средних глубинах разработки величины зоны опорного давления вписывались в границы, очерченные параметрами сдвижения пород, то с увеличением глубины работ зона опорного давления стала выходить за указанные границы. При многократном оконтуривании предохранительных целиков очистными выработками происходит наложение зон опорного давления с нескольких сторон, и ствол оказывается в зоне повышенных деформаций сжатия. А поскольку большинство стволов закреплено монолитной бетонной (в отдельных случаях – в районах сопряжений – железобетонной) крепью, весьма чувствительной к деформациям сжатия (допустимая относительная вертикальная деформация сжатия монолитной крепи составляет 0,85 ‰ [3]), в результате были отмечены многочисленные случаи повреждений крепи и армировки стволов.

Влияние очистных работ у границ предохранительных целиков на состояние стволов подтверждается возникновением повреждений крепи и армировки стволов, совпадающем во времени с оконтуриванием целиков. Степень воздействия определяется интенсивностью ведения очистных работ: количеством влияющих пластов, сторон оконтуривания целиков, степенью оконтуренности целика, величины углов оконтуривания 1, 2.

Это подтверждается также оседанием поверхности у устьев стволов, охраняемых целиками угля. Переопределение высотных отметок стволов показало, что при ведении очистных работ у границ

© И. А. Южанин, И. А. Колдунов, А. М. Терлецкий, 2014


50

целиков, величина оседания устьев стволов часто превышала 200 мм, достигая в отдельных случаях величин 430—466 мм (например, воздухоподающий ствол шахты "Октябрьский Рудник") [4].

При недостаточных размерах предохранительных целиков ведение очистных работ у границ предохранительных целиков по разрабатываемому или нижележащим пластам приводит к активизации (возобновлению) процессов сдвижения и деформирования околоствольного массива пород. Примером тому служат периодические повреждения крепи ствола № 10 на сопряжении с горизонтом 384 м, находящегося в зоне остаточного опорного давления пл. l7

н (шахта им. Г. М. Димитрова), при ведении очистных работ по нижележащим пластам.

С другой стороны, ухудшались условия поддержания вертикальных шахтных стволов на больших глубинах вследствие повышения напряженного состояния околоствольного массива пород, при котором окружающие породы переходят в предельное состояние, и изменяется характер их взаимодействия с крепью стволов. Ряд стволов претерпел повреждения крепи на значитетельных участках еще в период их проведения, при этом в отдельных случаях приходилось выполнять ремонт крепи с засыпкой нарушенной части (на шахтах им. Челюскинцев, им. Ильича, им. А. А. Скочинского и др.).

Вышеизложенное послужило причиной для проведения систематических исследований условий охраны и поддержания шахтных стволов для разработки научных основ создания способов и средств обеспечения их надежной эксплуатации.

Исследования включали проведение инструментальных и визуальных наблюдений за проявлением горного давления в шахтных стволах, взаимодействием их крепи с окружающими породами.

Инструментальные наблюдения проводились на всех стадиях эксплуатации шахтных стволов в следующих направлениях.

1. Исследование сдвижений и деформаций околоствольного массива пород, включая земную поверхность.

2. Измерение смещений крепи в стволах и сопрягающихся выработках.

Так в клетевом стволе № 8 шахты им. В. И. Ленина ГП "Артемуголь" (Dпр = 9,0 м; Dсв = 8,0 м; крепь – бетон толщиной 0,5 м) были выполнены долговременные (в течение 7 лет) измерения сближения крепи противоположных стенок ствола по диаметру.

Выбор объекта был обусловлен весьма сложными горно-геологическими и геомеханическими условиями: большая глубина H, м ствола (более 1000 м); неустойчивые вмещающие породы; влияние очистных и сопрягающихся со стволом выработок; неоднократные ремонтные работы на различных участках ствола вследствие повреждений крепи, приуроченные в основном к районам сопряжений ствола с выработками горизонтов 740 м, 850 м, 970 м и 1080 м (шелушение крепи, трещины различной интенсивности, заколы, вывалы (рис. 1).

Замерные пункты (10 пар контурных реперов на противоположных стенках ствола) по глубине от 361 до 960 м располагались в своем большинстве (за исключением пункта на глубине 361 м) на участках ствола, пересекающих глинистые и песчаные сланцы с коэффициентом крепости f = 4—5 (см. рис. 1). Измерения производились измерительным устройством АГ-3 М конструкции ВНИМИ.

По результатам измерений сближений стенок ствола определены величины относительных окружных деформаций бетонной крепи r, мм/м (рис. 2) по формуле:

1

12

D

DDr

,

где D1 – начальный диаметр ствола в свету; D2 – конечный диаметр ствола в свету. Крепь на участке измерений была нарушена только на глубине 459 м в начальный период

измерений при величине окружной деформации порядка 6,6 мм/м (‰). На остальных участках на конец измерений крепь не была нарушена при деформациях сжатия от 0,9 ‰ до 4,1 ‰. Эти величины намного превышали допустимую величину сжатия бетона, равную 0,85 ‰ [3].


51

Рис. 1. Разрез по клетевому стволу № 8 шахты им. В. И. Ленина (П – песчаник, СП – сланец песчанистый, СГ – сланец глинистый, И – известняк, У – уголь, СУ – сланец углистый)

гор. 361 м

гор. 386 м

гор. 459 м

гор.558 м

гор.598 м

гор.613 м

гор.687 мгор.775 м

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

13.04.77 15.04.78 18.04.79 19.04.80 22.04.81 24.04.82 27.04.83 28.04.84

Дата

Окруж

ные деформации

, мм

/м

гор. 800

гор. 960

Рис. 2. Графики окружных деформаций крепи r, мм/м клетевого ствола № 8 шахты им. В. И. Ленина (гор. 361 – горизонты на которых осуществлялись замеры)


52

Таким образом, предельная величина сжатия бетонной крепи в длительном режиме нагружения может быть принята равной 4 ‰.

Повышенные деформации сжатия крепи на горизонте 459 м объясняются тем, что реперы были заложены на участке нарушенной крепи.

В работе [5] величина длительной предельной деформации сжатия бетонной крепи принята равной 6 ‰.

На шахте им. Челюскинцев («Донецкуголь») воздухоподающий ствол (Dпр = 6,8 м; Dсв = 6,0 м) расположен в сложных горно-геологических и геомеханических условиях (угольные пласты, глинистые и песчаные сланцы с коэффициентом крепости f = 1,5—4 на 70 % слагающие околоствольный массив, а также совместное влияние очистных выработок, проводимых у предохранительных целиков в пластах m3, l4, k8). В стволе имели место существенные повреждения крепи и армировки (рис. 3), возникновение которых наблюдалось еще в период строительства.

Рис. 3. Участки повреждения крепи в воздухоподающем стволе шахты им. Челюскинцев (600… - глубина ствола в метрах)

В связи с вышеизложенным, в крепи ствола были оборудованы горизонтальные осадочные

швы на глубинах 760, 785 и 852 м, а также на отдельных его участках, включая район сопряжения с горизонтом 882 м, где была заложена наблюдательная станция (рис. 4), на которой производились измерения в течение около 4-х лет.

При проведении наблюдений решались следующие задачи:

– установить особенности сдвижения и деформирования околоствольного массива, сложенного неустойчивыми породами, при многократном оконтуривании предохранительных целиков очистными выработками по нескольким пластам;

– проверить эффективность оборудования горизонтальных осадочных швов как конструктивных мер защиты крепи от повышенных деформаций.


53

Рис. 4. Геологический разрез по воздухоподающему стволу шахты им. Челюскинцев и расположение замерных пунктов

Результаты инструментальных наблюдений в стволе приведены в табл. 1. В результате выполненных исследований установлено следующее. 1. Несмотря на то, что предохранительные целики под воздухоподающий ствол построены

по граничным углам сдвижения, многократное их оконтуривание очистными выработками приводит к сдвижению и деформированию околоствольного массива. За период около 5,5 года оседание устья воздухоподающего ствола составило 160 мм, т. е. оседание происходило со средней скоростью 2,5 мм в месяц. На конец наблюдений процесс сдвижения массива затухает, но полностью не прекратился.

2. Деформации крепи на протяженных участках ствола носили в основном характер сжатия, как в вертикальном, так и радиальном направлениях. Наибольшие величины деформаций крепи (9,6 ‰) отмечены на участке пересечения стволом пласта l4 (786 м). Во многих случаях измеренные величины деформаций превышали допустимые деформации сжатия бетонной крепи (0,85 ‰), что вполне объяснимо, если принять во внимание, что на многих участках ствола крепь была нарушена. Кроме того, предельные деформации бетонной крепи намного превышают допустимые (см. выше исследования в клетевом стволе № 8 шахты им. В.И. Ленина ГП "Артемуголь").

3. В большинстве случаев деформации вертикального сжатия крепи в интервалах с осадочными швами (репера 5;1 – 8;4 рис. 5) были выше, чем в интервалах без швов, т. е. деформационные качества крепи с конструктивными мерами защиты выше, чем на участках без конструктивных мер. Исключения их этого правила объясняются причинами по п. 2.


54

Табл. 1. Результаты инструментальных наблюдений

Величина деформаций ε, ‰ Глубина H, м заложения замерных пунктов

вертикальных окружных Примечание

-1,3 – 1,8 – При расстоянии между реперами по вертикали 1,7 м

-0,4 – 0,1 – То же, 7,7 м

580

– -0,2 – 0,8 -3 – 1 –

-4,0 – 0,5 – На осадочном шве 760

– -1,5 – 0,2 -9,6 – 0,4 – Реперы 9, 10 -2,4 – 0,5 – Остальные реперы -6,0 – 0,9 – На осадочном шве

– -7,6 – -0,4 Реперы 9, 10

785

– -2,0 – 0,2 Остальные реперы -2,4 – 1,0 – Реперы 19, 20 -4,5 – 1,0 – Остальные реперы -4,5 – 0 – На осадочном шве

– -2,5 – -1,1 Реперы 21 – 17

852

– -0,5 – 0,8 Остальные реперы -3,0 – -3,5 – 6 – 10 м выше арки

– -2,0 10 м выше арки – -8,0 6 м выше арки

Величина сближения крепи, мм скорости сближения,

мм/месяц

-240 12,5 Со стороны падения пород: кровля–почва

-300 6,9 То же, бока -75 1,9 Со стороны восстания пород:

кровля–почва

882 (район сопряжения)

-60 1,5 То же, бока

Рис. 5. Графики деформаций крепи воздухоподающего ствола шахты им. Челюскинцев на горизонте 760 м: а) вертикальных С–З стенки ствола; б) вертикальных Ю–В стенки; в) радиальных


55

4. Характер деформирования крепи выработок в районе сопряжения горизонта 882 м имеет следующие особенности:

– величина деформаций крепи стенок ствола по диаметру в 6 м от арки сопряжения существенно выше величины деформации в 10 м от проема сопряжения (рис. 6);

– величины сближения крепи примыкающих выработок к сопряжению ствола (по кровле-почве и бокам) отличаются по расположению ветвей сопряжения относительно элементов залегания пород: в ветви, расположенной со стороны падения пород, они были значительно выше, чем со стороны восстания.

Рис. 6. Графики сближения крепи ε, ‰ над сопряжением воздухоподающего ствола шахты им. Челюскинцев с горизонтом 882 м во времени (I… – номера реперов по которым проводились замеры)

Выводы

По результатам исследований можно сделать следующие выводы: 1. Деформации растяжения крепи стволов (вертикальные и окружные) во многих случаях

достигали величин 3,3—11,4 ‰, т. е. намного превышали величины допустимых деформаций, равных 0,05—0,25 ‰ [3], и это не всегда приводило к нарушениям крепи.

2. Фактические величины деформаций сжатия монолитной крепи (бетон, железобетон) в длительном режиме нагружения намного превышали допустимую величину деформации сжатия (0,85 ‰). Предельная величина сжатия бетонной крепи в длительном режиме нагружения может быть принята равной 4 ‰.

3. Участки крепи стволов с горизонтальными осадочными швами обладают более высокими деформационными свойствами по сравнению с участками без конструктивных мер защиты.

4. Полученные результаты будут использованы для разработки научных основ создания способов и средств обеспечения надежной эксплуатации шахтных стволов.


1. Дрибан В. А. Геомеханика управления устойчивостью околоствольного массива горных пород глубоких угольных шахт: дис. на соискание ученой степени д-ра. техн. наук : спец. 05.15.09 "Механика грунтов и горных пород" / В. А. Дрибан. –– Днепропетровск, 2004. –– 321 с.

2. Кулибаба С. Б. Маркшейдерское обеспечение охраны вертикальных стволов угольных шахт Донбасса: дис. на соискание ученой степени д-ра. техн. наук : 05.15.01 "Маркшейдерия" / С. Б. Кулибаба. –– Донецк, 2004. –– 318 с.

3. Расположение, охрана и поддержание горных выработок при отработке угольных пластов на шахтах. Методические указания: РД 12.01.01.201 – 98 –– Утв. Минуглепромом Украины 25.06.98. –– Донецк: УкрНИМИ, 1998. –– 149 с.

4. Кулибаба С. Б., Голдин С. В. Оседания устьев вертикальных шахтных стволов, охраняемых предохранительными целиками. // Сб. Методы изучения и управления деформациями массива горных


56

пород при разработке пластов под застроенными территориями и обеспечения устойчивости бортов разрезов: ВНИМИ. – Л., 1987. – C. 11–16.

5. Репко А. А. О предельных деформациях сжатия бетонной крепи вертикальных стволов. / Репко А. А. , Южанин И. А., Савельев А. И., Рубан М. Е. // Шахтное строительство. – 1985.– № 3. - C. 16–17.


І. А. Южанін, І. О. Колдунов, О. М. Терлецький

УкрНДМІ НАНУ, Донецьк, Україна

Інструментальні дослідження прояву гірського тиску в шахтних стволах

У статті наведено результати інструментальних спостережень за проявом гірського тиску в клітьовому стволі № 8 шахти ім. В. І. Леніна («Артемвугілля») та повітроподавальному стволі шахти ім. Челюскінців («Донецьквугілля»), і на основі цього зроблено висновки про закономірності процесу деформування кріплення стволів. Отримані результати роботи планується використати для розробки наукових основ встановлення способів та засобів забезпечення надійної експлуатації шахтних стволів.

Ключові слова: інструментальні спостереження, гірничий тиск, шахтні стволи, деформування кріплення.

I. Yuzhanin, I. Koldunov, A. Terletsky

UkrNIMI, NAS of Ukraine, Donetsk, Ukraine

Instrumental survey of rock pressure manifestation in mine shafts

Problems related to protection and maintenance of mine shafts were always the most complicated in mining practice. Now the necessity of solving these problems becomes more challenging due to the increase in mining depth. Coal-face work near pillar boundaries leads to activation/reactivation of shaft bottom rock mass movement and deformation. Maintenance conditions of vertical mine shafts at large depths are deteriorated due to the increase in stress condition of shaft bottom rock mass: surrounding rocks transfer into limiting state and engagement between rocks and shaft lining changes. The above said motivated to conduct systematic examination of conditions for protection and maintenance of mine shafts. In this article we describe the results of long-term instrumental observations of rock pressure manifestation in mine shafts. Based on the obtained results we make conclusions that shaft lining tensile deformations (vertical and circumferential) in many cases reach 3.3–11.4 ‰, in other words they greatly exceed values of admissible deformations equal to 0.05–0.25 ‰ that does not always result in lining distortion. Actual values of compressive deformation of monolithic lining (concrete, reinforced-concrete lining) in longtime loading conditions greatly exceed admissible compressive deformation (0.85 ‰). A limiting value of compression for concrete lining in longtime loading conditions can be taken equal to 4.0 ‰. Sections of shaft lining with horizontal settlement joints have higher deformation properties in comparison with sections without structural protection measures. The obtained results will be used for working the scientific basis for creation of methods and means providing reliable operation of mine shafts.

Keywords: instrumental observations, rock pressure, mine shafts, lining deformation.


57

УДК 662.66:662.767.1(430)

Т. П. Волкова, д-р геол.-мин. наук, Е. С. Антропова ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», Донецк, Украина

Закономерности распределения природной газоносности на поле шахты «Октябрьский

рудник» Донецко-Макеевского углепромышленного района

В статье рассмотрены геологические факторы, влияющие на природную газоносность угольных пластов Донбасса. Приведены последние данные по изучению природных факторов распределения метана в Донецко-Макеевском углепромышленном районе Донбасса. Детально рассмотрено распределение показателей качества и природной газоносности на поле шахты «Октябрьский рудник». Показано значительное влияние тектонических нарушений на увеличение природной газоносности угля площади исследования. Проведен анализ согласованности изменения различных показателей качества и природной газоносности пласта k8 шахтного поля. Доказано, что увеличение природной газоносности происходит с уменьшением выхода летучих, что отражает влияние фактора метаморфизма углей. Согласованное изменение зольности угля и природной газоносности на поле шахты «Октябрьский рудник» подтверждено, как с помощью корреляционных связей, так и пространственно. Предложено использование сырья изученной площади как комплексного газоугольного.

Ключевые слова: природная газоносность, марочный состав углей, степень метаморфизма, зольность, сера, выход летучих, статистические методы анализа данных.

Проблема освоения газа угольных месторождений является весьма актуальной для Украины. По предварительным оценкам ресурсы углеводородных газов в угольных пластах Донбасса оценены в 1,2 трлн. м3. Освоение ресурсов метана в угленосной толще имеет несколько аспектов. С одной стороны, метан оказывает негативное влияние на безопасность разработки угольных месторождений. Повышенные концентрации метана в горных выработках и его внезапные выделения часто приводят к взрывам и пожарам на шахтах. Во-вторых, высокая газоносность углей и вмещающих пород снижает нагрузку на очистные забои, что негативно сказывается на экономических показателях горнодобывающих предприятий. И, наконец, газ, который выбрасывается системами вентиляции и дегазации шахт в атмосферу, ухудшает экологическую ситуацию в регионе. Поэтому исследования, направленные на изучение и прогнозирование скоплений газа в угленосной толще Донбасса, несомненно актуальны. Выявление и промышленное использование скоплений метана в угленосной толще будут способствовать повышению безопасности работ на угледобывающих предприятиях, улучшению экологической обстановки в регионе, повышению рентабельности добычи угля в Донбассе и, в перспективе, обеспечению энергетической независимости Украины. Глубокий и детальный анализ распределения природной газоносности в угольной толще отдельных шахтных полей Донбасса приближает решение этой важной проблемы.

Геологами на протяжении многих лет установлены геологические факторы, влияющие на формирование скоплений метана в угленосных породах. Современное распределение газов в бассейне связано с особенностями геологического развития бассейна, глубиной залегания угленосных отложений, тектоническим строением, литолого-фациальным составом вмещающих пород и покровных отложений, условиями циркуляции подземных вод. Оценка влияния этих факторов в каждом конкретном угольном пласте необходима для выявления локальных закономерностей, связанных с особенностями геологического строения шахтного поля. Результаты исследований на новых объектах открывают новые факторы и способствуют прогнозу локальных скоплений метана [1].

© Т. П. Волкова, Е. С. Антропова, 2014


58

В пределах Донбасса в региональном плане распространены газоносные, углегазоносные, газоугленосные и угленосные зоны. Газоносная зона включает Бахмутскую и Кальмиус-Торецкую котловины, в которых отложения карбона залегают под соленосными образованиями нижней перми. Для проверки известных факторов распределения природной газоносности весьма перспективен Донецко-Макеевский углепромышленный район Донецкого бассейна. Расположен он в пределах Донецкой области на территории Марьинского, Ясиноватского, Авдеевского, Макеевского и Харцызского административных районов. Его площадь составляет 3170 км2. Район густо заселен, насыщен промышленными предприятиями, имеет хорошо развитую инфраструктуру. Он хорошо изучен в геологическом отношении не только разведочными скважинами, но и горными работами до глубин 1000 и более метров. Для него характерно наличие обширных площадей сплошной отработки угольных пластов с детальной геологической документацией горных выработок, что позволяет выявлять и изучать геологические структуры самого разного масштаба. Угли района относятся преимущественно к гумусовым, в основном клареновые, с большим содержанием гелифицированного вещества. Подчиненное значение имеют фюзенизированные древесные ткани, споры, кутикула и смоляные тела. Степень восстановленности основных угольных пластов непостоянна и меняется по площади без видимой закономерности. Зольность углей колеблется от 3-5 до 20-30%, в среднем по району она для всех марок близка к 12-14%. Сернистость углей изменяется в широких пределах – от 0,6 до 5,5%. На многих шахтах района успешно применяется подземная и поверхностная дегазация углепородного массива с промышленным использованием извлекаемого газа.

Целью настоящего исследования является изучение закономерностей распределения газоносности на поле шахты «Октябрьский рудник» этого района. Поле шахты «Октябрьский рудник» входит в состав Донецко-Макеевского геолого-промышленного района Донбасса. По административно территориальному делению, описываемая площадь входит в состав города Донецка и Ясиноватского района Донецкой области. Размер шахтного поля составляет 9,0 км по простиранию и 3,5 км — по падению. Промышленные запасы угля в границах шахтного поля составляют более 96,0 млн тонн.

Многочисленные исследования установили геологические факторы распределения метана в угольной толще Донбасса. Природная газоносность зависит от глубины залегания пластов, степени метаморфизма углей, тектонических условий, структуры пластов и многих других факторов [1,2,3,4]. Степень влияния каждого из этих установленных факторов связана с условиями залегания конкретного угольного пласта. Поэтому изучение этих условий в каждом отдельном случае увеличивает достоверность прогнозирования газоносности угольных пластов Донбасса, способствует решению главных задач освоения ресурсов газа угольных месторождений Украины. Проанализируем закономерности распределения природной газоносности на поле шахты «Октябрьский рудник» в отрабатываемом угольном пласте k8.

Первичная газоносность каменноугольных отложений обусловлена степенью метаморфизма углей. Согласно ряду исследований, средние значения природной газоносности углей, при изменении марочного состава углей от начальных стадий метаморфизма (длиннопламенных и газовых) к высоким - полуантрацитам и антрацитам, возрастают от 8–10 до 30–40 м3/т с.б.м, а в суперантрацитах резко снижаются до минимальных значений 0,3–0,5 м3/т с.б.м [2]. Влияние этого фактора на природную метаноносность углей весьма четко прослеживается в Донецко-Макеевском районе, где увеличение газоносности углей в районе происходит с юго-запада на северо-восток в соответствии с увеличением степени метаморфизма и сменой марочного состава разрабатываемых пластов от длиннопламенных до тощих.

Газоносность углей также увеличивается с глубиной залегания угольных пластов. Основные закономерности изменения природной газоносности угольных пластов с глубиной являются общими для всего угольного бассейна [2]. От верхнего предела зоны метанового выветривания до глубины 700 м метаноносность интенсивно растет по гиперболе с последующей относительной стабилизацией. Изменение метаноносности в отдельно взятом пласте с ростом глубины его залегания характеризуется максимальным темпом увеличения в начальной стадии и замедленным темпом при достижении глубин 600–1000 м, где газоносность углей достигает сорбционной емкости и стабилизируется. По данным исследователей, сорбционная метаноёмкость регионально метаморфизованого угля достигает максимальных значений на глубине 800-1000 м от верхней границы метановой зоны. В условиях исследуемого шахтного поля это глубина 1000-1200


59

м. Общая метаноёмкость угля, как суммарный объем метана в сорбированном и свободном состоянии, увеличивается с глубиной до 1400 м ниже верхней границы метановой зоны (приблизительно 1600 м). При экспериментальном изучении образцов угля относительно полное насыщение (до 85-90 %) метаном наблюдается при давлении 5-6*105 Па. При повышении давления в лабораторной установке свыше 6*105 Па метаноёмкость возрастает еще на 10-15 %. Последующий рост давления – свыше 10*105 Па – не дает значительного прироста метаноёмкости (3-5 %) [4]. Однако, по данным американских исследователей, которые проводили испытание при давлениях до 150*105 Па (глубина залеганий приблизительно 1500 м), а несколько измерений даже при 240*105 Па, полного насыщения достичь еще не удалось. Поэтому можно считать, что в связи с постоянным ростом метаноёмкости угля (как суммы сорбированного и свободного газа) при термодинамических условиях глубин до 2000 м полной стабилизации метаноносности угольных пластов не происходит.

Шахта «Октябрьский рудник» добывает угли марки Г, ДГ, Ж. Несмотря на изменение марочного состава диапазон изменения выхода летучих небольшой (табл.1). На балансе шахты числятся пласты свиты С2

7, С26 и С2

5. В настоящее время шахтой разрабатываются два пласта l81

«София» и k8 «Паровочный». С помощью статистических методов анализа данных получены характеристики показателей качества угольного пласта k8 по выборке из 19 проб. Они приведены в таблице 1.

Таблица 1 Статистические характеристики показателей качества пласта k8

Показатели качества Минимум Максимум Среднее Стандарт Глубина залегания, м 760,0 1148,4 952,1 112,4

Мощность,м 0,68 0,96 0,83 0,07 Природная газоносность, м3/т с.б.м 5,6 17,0 11,95 3,1

Зола (Ad), % 3,4 24,2 9,5 4,8 Сера (St

d), % 2,2 5,3 3,2 0,9 Выход летучих (Vdaf ), % 33,8 38,9 36,5 1,6

Из таблицы описательных статистик следует, что глубина залегания пласта меняется в

широком диапазоне: от 760 до 1148 метров. Мощность угольного пласта: колеблется в пределах от 0,68 до 0,96 м, со средним значением 0,83. Пласт относится к выдержанным, коэффициент вариации мощности составляет 18,07%. Максимальное значение природной газоносности достигает 17 м3/т с.б.м. Однако, встречаются участки с низкой газоносностью 5,6 м3/т с.б.м. Среднее значение – 11,95 м3/т с.б.м. Выход летучих (Vdaf ) соответствует диапазонам значений добываемых марок Г (Vdaf >37%), ДГ (Vdaf >37% ), Ж (Vdaf <33% ) (рис.1).

Рис.1 Карта-схема распределения выхода летучих (Vdaf , %) пласта k8 поля шахты «Октябрьский рудник» Распределение выхода летучих отражает смену марочного состава и степень

метаморфизма углей изучаемой площади. В соответствии с действием этого фактора природная газоносность должна увеличиваться с востока на запад в соответствии с уменьшением выхода летучих, что можно видеть на карте-схеме природной газоносности (рис.2).


60

Рис.2 Карта-схема распределения природной газоносности пласта k8 поля шахты «Октябрьский рудник» Степень тектонической нарушенности угленосной толщи является главным фактором

распределения газа в угленосной толще Донецкого бассейна. Породы каменноугольной толщи Донбасса по сравнению с классическими месторождениями углеводородов обладают низкими коллекторскими свойствами и практически газонепроницаемы. Повышение коллекторских свойств пород наблюдается лишь в зонах тектонических нарушений, где повышается пористость и проницаемость пород. Это значит, что наиболее значительные скопления свободного метана в угленосной толще контролируются структурными и структурно-тектоническими ловушками [3]. Донецко-Макеевский угленосный район расположен в южной части юго-западного крыла Кальмиус-Торецкой котловины в зоне мелкой складчатости. Наряду с пологими субширотными складками здесь развита более молодая, наложенная система асимметричных складок субмеридионального простирания. Это привело к появлению целого ряда куполов и брахисинклиналей. Основная масса газа приурочена к приосевым частям антиклинальных структур, если они не эродированы, а также к зонам их флексурообразных складок [1].

Наиболее крпные субмеридиональные флексуры расположены в центральной и восточной частях Донецко-Макеевского района – Ветковская, Чайкинская, Калиновская, Ясиновско-Ждановская. Как правило, зоны повышенной трещиноватости приурочены к перегибам пластов на крыльях, к узким приосевым частям и периклиналям складок [3]. Повышенной газонасыщенностью характеризуются не только крупные флексуры, но и большинство сравнительно мелких флексурных складок, что проявляется повышенными значениями газоносности углей и пород по разведочным скважинам, но чаще – повышением газообильности и развитием газодинамических явлений в горных выработках.

Площадь изучаемого шахтного поля заключена между Коксовым надвигом на западе и флексурной складкой на восток от изучаемой площади. Последняя является опущенным крылом Ветковской флексуры и дополнительно включает ряд надвигов. Коксовый надвиг имеет амплитуду 40-55м, которая с глубиной уменьшается до 35 м. Основная часть шахтного поля относительно спокойна, с пологим залеганием пород. Кроме крупной Ветковской флексуры, выявлены более мелкие флексурные перегибы [2]. Влияние тектонических структур на распределение природной газоносности на поле шахты «Октябрьский рудник» хорошо прослеживается при картировании (см. рис.2). На карте-схеме видно, что природная газоносность угольного пласта резко возрастает на юго-западе площади, в зоне влияния Диагонального и Коксового надвига.

Для изучения взаимосвязей природной газоносности с другими геологическими факторами проведен корреляционный анализ. Для оценки связей целесообразно использовать коэффициент корреляции Спирмена, поскольку часть показателей не подчиняется нормальному закону распределения. Критический коэффициент корреляции для 19 проб и уровня значимости α=0,05 составляет 0,432. При анализе матрицы корреляций установлены следующие значимые корреляционные связи:

– отрицательная корреляционная связь между газоносностью и выходом летучих; – положительная корреляционная связь между зольностью и выходом летучих.

Известно, что увеличение степени метаморфизма сопровождается уменьшением выхода летучих, повышением степени углефикации, уменьшением зольности. Поэтому обе связи


61

отображают, связь природной газоносности со степенью метаморфизма и степенью углефикации на поле шахты «Октябрьский рудник». Первая связь четко видна при сопоставлении рис. 1 и 2. Участки минимального выхода летучих соответствуют максимальным значениям природной газоносности. Проанализируем согласованность пространственного распределения зольности (рис. 3) и выхода летучих (см. рис. 1).

Рис.3 Карта-схема зольности (Ad ,%) пласта k8 поля шахты «Октябрьский рудник» Максимальные значения зольности приурочены к центральной части шахтного поля. По

среднему значению уголь относится к среднезольным.

Рис 4. Карта-схема сернистости (Std, %) пласта k8 поля шахты «Октябрьский рудник» На поле шахты установлены среднесернистые (1,5-2,5%), сернистые (2,5-4%) и

высокосернистые (> 4%) угли. На большей части шахтного поля угли относятся к группе сернистых углей Донбасса (2,5-4 %). Высокосернистые угли занимают около 30% всей площади.

Таким образом, на исследуемой территории поля шахты «Октябрьский рудник» было подтверждено влияние степени метаморфизма углей на распределение природной газоносности. Косвенно показано влияние структурно-тектонического фактора. Установлена наиболее продуктивная на газ часть поля шахты «Октябрьский рудник». Это юго-западная часть поля, где газоносность достигает промышленных значений. что обусловлено совместным действием всех геологических факторов. Выделение перспективных структур для утилизации газа на площади исследования является основной задачей дальнейшей работы.


1. Анциферов А.В., Тиркель М.Г., М.Т.Хохлов, В.А.Привалов, А.А.Голубев, А.А. Майборода, В.А.Анциферов «Газоносность угольных месторождений Донбасса», Киев, Наукова думка, 2004. – 231 с.


62

2. Кравцов А. И. Газоносность угольных бассейнов и месторождений. – М.: Недра,1972, т.1. – 237 с. 3. Волкова Т.П., Алёхин В.И., Силин А.А. Выявление локальных газоносных структур методом тренд-

анализа // Уголь Украины. – 2011. - №5. – с.33-36. 4. Геологические основы изучения и прогнозирования газоносности вмещающих пород угольных

месторождений / Б. М. Зимаков и др. – М.׃ ИПКОН АН СССР, 1986.


Т. П. Волкова, О. С. Антропова

ГВУЗ «Донецький національний технічний університет», Донецьк, Україна

Закономірності розподілу природної газоносності на полі шахти «Жовтнева копальня» Донецько-Макіївського вуглепромислового району

У статті розглянуті геологічні чинники, що впливають на природну газоносність вугільних пластів Донбасу. Приведені останні дані по вивченню природних чинників розподілу метану в Донецько-макіївському вуглепромисловому районі Донбасу. Детально розглянутий розподіл показників якості і природної газоносності на полі шахти "Жовтнева копальня". Показаний значний вплив тектонічних порушень на збільшення природної газоносності вугілля в межах площини дослідження. Проведено дослідження узгодженості зміни різних показників якості і природної газоносності пласта k8 шахтного поля. Доведено, що збільшення природної газоносності відбувається зі зменшенням виходу летких, що відбиває вплив чинника метаморфізму вугілля. Погоджена зміна зольності вугілля і природної газоносності на полі шахти "Жовтнева копальня". Визначені закономірності підтверджені, як за допомогою кореляційних зв'язків, так і просторово. Запропоновано використання сировини вивченого родовища вугілля як комплексного, газовугільного.

Ключові слова: природна газоносність, марочний склад вугілля, ступінь метаморфізму, зольність, сірка, вихід летких, статистичні методи аналізу даних.

T. P. Volkova, Ye. S. Antropova


Regularities of methane distribution within October mine field in Donetsk coal-mining area

In the article the geological factors are considered to check the up influence on natural gas-bearingness of coal layers of Donbass. The latest data about natural factors of methane distribution are given. Distribution of high-quality indexes and natural gas-bearingness of coal layers in October mine are considered in detail. Considerable influence of tectonic dislocation on increase of coal gas content is shown. The coherence between the change of various high-quality indexes and natural gas-bearingness is studied. It is proved that the increase in natural gas content corresponds to reduction of coal volatiles components that reflects influence of the factor of coal metamorphism. The coordinated change of ash-content of coal and natural gas content in the field of October mine is confirmed, by means of correlation communications, and spatially. The use of raw materials of investigational mine field as a complex deposit of coal and gas is offered.

Keywords: natural gas content, branded composition of coals, metamorphism degree, ash-content, sulfur, coal volatiles components, statistical methods of data analysis.


63

УДК 621.695:621.65.03(07)

О. И. Калиниченко, д-р техн. наук, В. Б. Малеев, д-р техн. наук, В. И. Сёмка ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», Донецк, Украина

Инженерная оценка условия согласованной работы клапанного распределителя гидродвигателя

погружного поршневого насоса

Предложена конструкция гидродвигателя насоса, в котором отсутствуют элементы непроизвольного нарушения связи и установленных соотношений размеров перемещения поршня и клапанов. Предложен метод инженерного выбора необходимого соотношения параметров для соблюдения устойчивых состояний и условий перестановки клапанной группы гидродвигателя погружного поршневого насоса.

Ключевые слова: погружной поршневой насос, гидродвигатель, клапанный водораспределитель, образующие элементы и параметры.

На протяжении ряда лет на кафедре технологии и техники бурения скважин (ТТБС) Донецкого национального технического университета выполняются работы по созданию

погружных поршневых насосов (ППН), в том числе, для получения местной обратной промывки с целью повышения выхода керна. Технической основой развития ППН явились насосные агрегаты, разработанные в Свердловском горном институте (СГИ) Неудачиным Г.И., Подкидышевым А.П., Бажутиным А.Н.[6, 7]. В базовую схему ППН (СГИ) были внесены принципиальные изменения, которые позволили повысить надежность, прежде всего, гидродвигателя ППН [8]. Существенное развитие получили теоретические разработки гидродвигателя машин с клапанным водораспределением.

Наиболее известным ППН, достаточно апробированным в производстве является погружной поршневой насос, разработанный на кафедре ТТБС Неудачиным Г. И. и Пилипцом В. И. (рис.1).

Гидронасос состоит из гидродвигателя с дифференциальным поршнем и клапанным распределением жидкости. Включает верхний переходник 1, впускной клапан 3, клапанную коробку 4, толкатель 5, выпускной клапан 6, центратор 7, ограничители 8 и 11, поршень гидродвигателя 9, корпус гидродвигателя 12, цилиндр гидродвигателя 13, клапанную пружину 10, шток 10, тягу 15, сальник 17, поршень насоса 18, корпус насоса 21, цилиндр насоса 20, всасывающий 19 и нагнетательный 22 клапаны, нижний переходник 23. Верхний переходник 1 установлен с возможностью передачи вращения и осевого перемещения от бурильных труб на выступы 2. При заклинивании впускного клапана 3 шламом, верхний переходник 1 опускается вниз, выступы попадают в ответные пазы клапана и проворачивают его, опуская на седло.

При включении приводного бурового насоса рабочая жидкость заполнит корпус гидродвигателя 12, через окно»Г» она пройдет в нижнюю полость цилиндра 13 и вызовет подъем поршня гидродвигателя 9, штока 14 и поршня насоса 18. В это время из верхней полости цилиндра 13 жидкость будет

Рисунок 1 - Схема ППН

конструкции Неудачина Г.И. и Пилипца В.И.

© О. И. Калиниченко, В. Б. Малеев, В. И. Сёмка, 2014


64

вытесняться поршнем 9 через канал «В» и окно «Е» в водоподъемные трубы 16. В нижней полости цилиндра насоса 20 происходит всасывание жидкости из скважины и верхней полости этого цилиндра через каналы «И», «Д» и «Ж».

Когда поршень 9 дойдет до верхнего положения, ограничитель 8 упрется в выпускной клапан 6, благодаря этому пружина 10 сожмется, поскольку система клапанов гидродвигателя удерживается давлением рабочей жидкости на выпускной клапан 3. При сжатии пружины 10 на величину хода ограничителя 8, поршень гидродвигателя ударяет по клапану 6. Через толкатель 5 удар поршня будет передан клапану 3, и он откроется под действием удара поршня гидродвигателя и силы пружины, а клапан 6 поднимается и перекрывает выхлопное окно «Е».

При верхнем положении клапанов гидродвигателя рабочая жидкость устремится в верхнюю полость цилиндра 13 через окно «Б» и канал «В». Поршень 9, шток 14 и поршень насоса 18 начнут двигаться вниз, т.к. рабочая площадь поршня гидродвигателя со стороны верхней полости цилиндра 13 больше его площади снизу на величину сечения штока 14. При ходе поршня насоса вниз произойдет нагнетание жидкости из нижней полости цилиндра 20, через клапан 22 и боковой канал в водоподъемные трубы.

На всем протяжении хода поршней гидродвигателя и насоса вниз, клапаны гидродвигателя будут сохранять верхнее положение благодаря давлению рабочей жидкости на выпускной клапан 6.

В нижней точке реверса поршня 9, ограничитель 11 упрется в головку тяги 15 и при дальнейшем ходе поршня вниз начнет сжиматься пружина 10 до момента соприкосновения ограничителей 11 и 8. Сила соударения ограничителей и сила сжатия пружины вызовут перестановку клапанов гидродвигателя в исходное положение. Клапан 6 откроется и соединит верхнюю полость цилиндра 13 с выхлопным окном «Е», а впускной клапан 3 опустится на свое седло и перекроет впускное окно «Б». Цикл работы повторится.

Недостатком рассмотренного гидродвигателя является неизбежность применения резьбовых соединений клапанного блока, работающего в ударном режиме. Очевидно, такие клапанные гидродвигатели ППН могут быть использованы в качестве привода погружных насосов с небольшим числом ходов поршня, не выше 100 ход/мин [6]. Кроме того, не исключается обрыв тяги при повышенных гидравлических нагрузках в момент отрыва выпускного клапана от плоскости его прилегания к клапанной коробке.

В предлагаемой разработке (рис.2) выделенные конструктивные недостатки устранены. Взаимодействие системы «выпускной клапан-поршень» обеспечивается пальцем 7, перемещающимся с поршнем 10 гидродвигателя по пазам, выполненным в хвостовике выпускного клапана 3. Впускной клапан 2 установлен в клапанной коробке 4 и имеет свободный упор в толкатель 8. В отличие от прототипа (см. рис.1), клапанная пружина 9 установлена свободно в проточке поршня. Клапаны насосного узла унифицированы. В качестве их использованы корпуса клапанов бурового насоса НБ3.

Поршень гидродвигателя механически и кинематически связан с поршнем насоса. Оба узла агрегата имеют независимые рабочие камеры, объем которых ограничен соответствующими цилиндрами.

В исходном положении (рис.2) поршень и выпускной клапан, опирающийся на пружину, находятся в крайнем нижнем положении. Впускной и обратный клапаны закрыты.

При подаче жидкости в гидросистему )(Q в

подпоршневой камере цилиндра формируется давление

Рис. 2 - Схема усовершенствованного

ППН


65

)(вQP , обусловливающее силу )()()(

шnв

Qв

Q fFPR , которая обеспечивает движение поршня 10

вверх (рис.3, а, б), (nF - площадь поршня 10;

шf - площадь штока 11). При этом жидкость,

находящаяся в верхней камере цилиндра 6 вытесняется по смещенным каналам клапанной коробки 4 и далее, через открывшийся обратный клапан 1 поступает в скважину или водоподъемные трубы. При движении поршня вверх одновременно по пазам хвостовика выпускного клапана перемещается палец 7 (рис.3, а). В конце хода S толкатель 8 взаимодействует с хвостовиком впускного клапана 2 (рис.3, а). Фаза дальнейшего перемещения сопровождается сжатием пружины 9, при этом клапанная группа остается в исходном положении за счет силы давления жидкости, прижимающей впускной клапан к седлу. После соударения поршня гидродвигателя с выпускным клапаном (рис.3, б), клапанная группа переместится вверх. Выпускной клапан своей тарелкой будет прижат к нижней поверхности клапанной коробки 4, закрывая ее смещенные каналы. Одновременно впускной клапан откроет доступ жидкости и в надпоршневую полость цилиндра 6 (рис. 3, в).

Рис. 3 – Положение элементов ППН при ходе поршня вверх Рис. 4 – Положение элементов ППН при ходе поршня вниз

Движение поршня вниз (рис. 4) обеспечивается результирующей силой

шн

Qн

Q fPR )()( ,

( )(нQP - давление в камерах гидродвигателя при ходе поршня вниз). На протяжении фазы движении

поршня вниз выпускной клапан 3 останется прижатым к поверхности клапанной коробки за счет давления )(н

QP в надпоршневой камере цилиндра (рис. 4, а). В момент контакта пальца и нижней

поверхности паза выпускного клапана произойдет перестановка клапанов в исходное положение


66

(рис. 4, б). Доступ жидкости в верхнюю полость цилиндра прекратится. Жидкость будет поступать только в подпоршневую полость цилиндра. Цикл работы гидродвигателя повторится.

При ходе поршня насоса 13 вверх нижняя (подпоршневая) полость цилиндра 12 через всасывающий клапан 15 заполняется жидкостью, поступающей из скважины и верхней полости цилиндра насоса. При движении поршня насоса вниз выполняется вытеснение жидкости из нижней полости цилиндра через нагнетательный клапан 16 в водоподъемные трубы или скважину.

Предложенное конструктивное исполнение гидродвигателя насоса за счет отсутствия в подвижной системе «поршень – выпускной клапан» элементов непроизвольного нарушения связи и установленных соотношений размеров перемещения поршня и клапанов является фактором повышенной надежности насосного агрегата при его длительной эксплуатации в скважине.

Выделенное безрезьбовое исполнение распределительного узла успешно апробировано в гидроударных буровых снарядах (ГБС), работающих в более экстремальных условиях [5]. Причем, ГБС и ППН функционально однотипны и представляют собой сочетание гидравлического двигателя и поршневого насоса. Отличие заключается в существенно повышенной частоте возвратно-поступательного перемещения поршня ГБС, из-за уменьшенного рабочего хода S . При расходе рабочей жидкости Q 160-180 л/мин при S =300 мм поршень ППН при рабочей площади

f 13 см2 обеспечивает 80-90 ходов в минуту. Для тех же значений Q и f и величине S =27 мм,

частота перемещения поршня ГБС превышает 25 с-1, что предполагает уменьшенный, по отношению к ППН, промежуток времени удержания клапанной группы на пути S . Отмеченное обусловливает более жесткие требования к выбору образующих элементов и параметров, обеспечивающих длительные состояния клапанного распределителя гидродвигателя ППН на пути перемещения поршня.

В соответствии с характером рабочего цикла ППН, сохранение положения клапанной группы гидродвигателя соблюдается при вполне определенном соотношении сил:

при ходе поршня вверх (рис.3) в период перестановки клапанов (открытие впускного клапана 2, закрытие выпускным клапаном 3 выхлопных окон клапанной коробки 4) необходимо выполнение соотношений

zкл

вQ RfP 2

)(

)( )(2

)( вудzкл

вQ RRfP . (1)

при ходе поршня вниз (рис.4) обеспечение закрытого состояния выпускного клапана 3 на пути перемещения поршня вниз до контакта пальца 7 с конечной поверхностью паза хвостовика клапана 3 и последующая перестановка клапанов (открытие клапана 3, закрытие клапана 2) выполняется при соблюдении соотношений

33

)(клкл

нQ RfP

)(3

)( нудкл

нQ RfP . (2)

где zz ZSR - сила деформации (сжатия) пружины 9 на пути zS (рис. 3, а); Z жесткость

пружины; 2клf - площадь тарелки клапана 2; 3клf - результирующая площадь клапана 3; 3клR -

сила, обусловленная скоростным напором, действующим на площадь сопротивления выпускного клапана; )(в

удR , )(нудR – силы, действующие в клапане 3 при соударении его с поршнем 10 при ходе

вверх и вниз. В соответствии с [1] для инженерных расчетов силу 3клR можно определить по формуле [9]

)(2 1

)(33 VVСfR с

клкл ;

T

вQ

f

fcf

fPV

10

)(

,


67

где )(3склf - площадь клапана 3, перпендикулярная направлению движения потока, скорость

которого 1V определяется эффективным сечением впускного канала клапанной коробки ( 0f ); -

плотность жидкости; - коэффициент, величина которого зависит в значительной степени от формы тела, его размеров, положения относительно потока и от вязкости жидкости. Допуская форму сопротивления клапана в виде круглой пластины, не зависимо от линейного измерения сечения и вязкости жидкости =1,1 [1]; V - приращение скорости жидкости при открытии впускного клапана; с - скорость распространения гидроударной волны; Tf - площадь сечения

подводящего трубопровода. Учитывая, что поршень ППН намного длиннее клапана и, допуская линейность

сопротивления клапана 3 на пути клS , величина ударной составляющей в соотношении (1)

определяется формулой [2]

cт

суд

пвуд c

VKЕFR

2

)()( , (3)

где Е– модуль упругости; стс - скорость распространения ударной волны в металле; )( удпF -

ударное сечение поршня 10; V - скорость поршня 10 в конце рабочего пути S (к моменту перестановки клапанов); cK - коэффициент прохождения силы от поршня в клапан.

El

cmF ст

nуд

п

2)( ; )1/(2

)(3

)(

удкл

удп

cf

FK . (4)

где nm – масса подвижных элементов поршня; l - длина ударяющего тела (поршня); )(3уд

клf -

ударное сечение клапана 3. С учетом (4) формула (3) преобразуется к виду

1

)(3

2)( 1

удкл

стnстnвуд

Elf

cm

l

VcmR . (5)

При определении )(нудR в формуле (5) величина )(

3уд

клf заменяется площадью сечения

хвостовика клапана 3. В общем случае, при заложенных конструктивных элементах гидродвигателя, значимыми

параметрами для выполнения соотношений (1) и (2) являются гидравлические силы, действующие на клапаны 2 и 3, и формирующиеся соответствующими давлениями в цилиндре гидродвигателя

)(вQP и )(н

QP к моменту перестановки клапанов.

Двигатель исследуемого ППН относится к механизмам двойного действия и, как правило, проектируется с соблюдением равной напряженности потока при ходе поршня вверх и вниз. Эта особенность обеспечивается за счет дифференциальной формы поршня при сопоставимости результирующей площади поршня как при ходе вверх ffFf штпв , так и при ходе вниз

fff штн .

Для условий инженерного расчета скорость поршня на рабочем пути S (к моменту перестановки клапанов) допустимо считать постоянной fQkV / , (где k - коэффициент

утечек жидкости на рабочем ходе поршня гидродвигателя) [6]. Количественно )(в

QP и )(нQP соответствуют запасу энергии жидкости на выполнение работы

по перемещению поршня ( fSmVР 2/2 ), дополненной давлением, затрачиваемым на

преодоление сопротивлений под поршнем насоса, в период всасывания ( вР ) и нагнетания ( нР )

в

вQ РРP

)( , н

нQ РРP

)( .


68

Учитывая, что насос работает с подпором 2Н , допуская равномерный характер движения

поршня, в соответствии с [4]

]2

)1[()( 22 клвав PVSНgPP

.

Выполнение условия (2) рассматривается для наименьшей величины нР , которое имеет

место в конце рабочего хода поршня 5 [4]

кл

скв

пнан РV

f

fgНPP 2

2

2

2 2)1( ,

где аР - давление на свободную поверхность жидкости в скважине; - плотность жидкости; g -

ускорение свободного падения; 2Н - расстояние между нижним положением поршня насоса и

уровнем жидкости в скважине; в , н - коэффициенты гидравлических сопротивлений для

всасывающей и нагнетательной частей насоса; nf - площадь поршня 10; сквf - площадь

поперечного сечения кольцевого пространства скважины (водоподъемных труб). Допуская равномерное распределение скоростей по сечению узких каналов всасывающей

и нагнетательной частей насоса, коэффициенты в и н , в основном, зависят от степени

расширения (сужения) сечений потока и отношения площадей сечений каналов [3]:

2

11

н ; 2

)(

)(

1

б

вншт

в f

f ,

где п

1,1

043.057,0 - коэффициент сжатия потока;

нка Ffn /)( - степень сжатия потока; )(аf -

площадь всасывающих отверстий «а»; нкF - площадь нагнетательной камеры насоса; )(внштf -

площадь сечения пропускного канала штока насоса; )(бf - площадь нагнетательных отверстий «б».

Потери напора в щели клапана насоса клР , определяются потерями на входе в пропускное

сечение клапана 1Р и выходе из щели щР [10]. При развиваемой производительности насоса нQ

2

2

1 2 щ

нклщкл

f

QРРР

,

где кл – коэффициент гидравлических сопротивлений клапана ( кл =2,1-2,3); sin2hdf срщ -

средняя площадь щели клапана; 2

2 dddcp

- среднее значение диаметра щели клапана; 2d –

диаметр тарелки клапана (по острой наружной кромке седла); d - диаметр сечения конуса клапана по точкам пересечения с его сторонами перпендикуляров, опущенных на острые кромки седла; - угол при вершине конуса клапана, соответствующий углу отклонения потока в щели клапана.

При расчете клР параметр нQ зависит от объема рабочих камер насоса:

при ходе поршня вверх f

QkffQQ штпвнн

)()( ;

при ходе вниз шт

ннн f

f

QkQQ )( .

Предложенный метод вполне приемлем и доступен для инженерной оценки устойчивого состояния и условия перестановки клапанной группы гидродвигателя ППН в течение рабочего цикла. Выделенные условия (1) и (2) предполагают обоснованный выбор соотношений образующих элементов конструкции гидродвигателя, параметров привода и выходных характеристик ППН.


69


1. Воздвиженский Б.И., Васильев М.Г. Буровая механика. - М.: Государственное научн. техн. издательство литературы по геологии и охране недр, 1954.-490 с.

2. Иванов К.И., Латышев В.А., Андреев В.Д. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых /Иванов К.И., Латышев В.А., Андреев В.Д. - М.: Недра, 1987. - 272 с.

3. Идельчик Е.А. Справочник по гидравлическим сопротивлениям –М: «Машиностроение», 1992. –672 с. 4. Караев М.А. Гидравлика буровых насосов /М.А. Караев. - М.: Недра, 1975. - 182 с. 5. Калиниченко О.И. Установки для бесколонного бурения скважин на морских акваториях (Монография)/

Калиниченко О.И., Хохуля А.В., Каракозов А.А., Зыбинский П.В. //Изд. «Донбасс». Донецк,2013. - 162 с 6. Неудачин Г.И. Вопросы разработки и применения погружных насосов для промывки буровых скважин и

откачки воды / Неудачин Г.И., Подкидышев А.П., Бажутин А.Н. //В кн. Совершенствование техники и технологии разведочного колонкового бурения. - М.: Недра, 1968. С. 68-122.

7. Неудачин Г.И. Гидравлический поршневой двигатель и некоторые примеры его использования для привода буровых механизмов. / Неудачин Г.И. //Разведка и охрана недр, №9. -М: 1965,

8. Пилипец В.И. Насосы для подъема жидкости /Пилипец В.И. // РВА ДонДТУ.– Донецк, 2000.- 243 с. 9. Тарко Л.М. Волновые процессы в трубопроводах гидромеханизмов. - М.: Машгиз. – 1963.- 183 с. 10. Ясов В.Г. Теория и расчет рабочих процессов гидроударных буровых машин. /Ясов В.Г. М.: Недра, 1977.

- 148с.


О. І. Калініченко, В. Б. Малєєв, В. І. Сьомка

ДНВЗ «Донецький національний технічний університет», Донецьк, Україна

Інженерна оцінка умов узгодженої роботи клапанного розподілювача гідродвигуна заглибного поршневого насосу

Запропонована конструкція гідродвигуна насосу, в якому відсутні елементи невимушеного порушення зв’язку і встановлених співвідношень розмірів переміщення поршня і клапанів. Розроблено метод інженерного вибору необхідного співвідношення параметрів щодо дотримання стійких станів і умов перестановки клапанної группи гідродвигуна заглибного поршневого насосу.

Ключові слова: заглибний поршнєвий насос, гідродвигун, клапанний водоросподілювач, образуючи елементи і параметри.

O. I. Kalinichenko, V. B. Maleev, V. I. Syomka

Donetsk National Technical Universiny, Donetsk, Ukraine

Engineering method of synchronization condition estimation for valve functioning of a hydraulic power unit of a submersible piston pump

The paper suggests a design of a hydraulic pump in which the are no elements of involuntary interruption and established relations of sizes of movement of the piston valves. We propose a method for selecting an appropriate mix of engineering parameters for obtaining stable conditions and conditions for permutations of the valve group of a submersible hydraulic piston pump.

Keywords: hydraulic piston pump, hydraulic submersible, valve group, elements and parameters.


70

УДК 622.24.085:622.143

В. Б. Малеев, д-р техн. наук, Н. Й. Скорынин, канд. техн. наук, О. И. Калиниченко, д-р техн. наук, Д. В. Кожевников

ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», Донецк, Украина

Оценка границы устойчивой стабилизации установок типа УМБ на морском дне

Разработан метод определения границы устойчивой стабилизации установок, типа УМБ, на морском дне. Предельное значение опрокидывающего момента рассчитывается из условия формирования нагрузок, действующих на буровой снаряд и элементы установки при заданных параметрах опорной площади донного основания.

Ключевые слова: легкая погружная установка, гидроударный буровой снаряд, донное основание, опрокидывающий момент, граница устойчивой стабилизации установки на дне.

В последние годы в области морских инженерно-геологических исследований расширяется практика бурения скважин глубиной до 30 м легкими техническими средствами (ЛТС), эксплуатирующимися с борта судов различного целевого назначения. В отечественной практике выделенного участка бурового производства преимущественно используются ЛТС, разработанные в Донецком национальном техническом университете (ДонНТУ). По показателям назначения, комплектности и характеру технологического цикла проходки скважин легкие установки ДонНТУ (УМБ-130, УМБ-130/25, УМБ-2М) идентичны [1, 2]. Образующими элементами установок являются: гидроударный буровой снаряд (ГБС) для генерации возмущающих нагрузок, обеспечивающих внедрение колонкового набора в осадки; и донное основание в комплекте с направляющими стойками и кареткой, служащее для стабилизации ГБС в вертикальном положении при постановке его на дно.

В объеме накопленного материала, приобретенного в процессе теоретических, экспериментальных и промысловых исследований установок выделяются работы, связанные, прежде всего, с развитием ГБС. На сегодня достигнутый уровень реализации их возможностей достаточно высок. По отношению к зарубежным аналогам гидроударные буровые снаряды ДонНТУ имеют существенно превосходящие параметры продуктивности. Впервые в отечественной и мировой практике, использование ГБС в составе ЛТС позволяет достичь показателей проходки инженерно-геологических скважин в породах I-VII категорий по буримости, которые ранее могли реализовываться только вращательными агрегатами специализированных буровых судов [1,2].

Что касается вопросов разработки систем стабилизации ГБС, то сегодня какие-либо методические или практические рекомендации, базирующиеся на исследованиях специалистов в этой области, да и сами исследования, как и публикации о них, весьма малочисленны. Вместе с тем в производственных условиях надежность конструкции, как и выполнение требований к стабилизации ГБС на дне нередко оказывались индикатором эффективности установок.

В подавляющем большинстве основой развития стабилизирующих опор являлась техническая возможность создания условий удобных для обработки установки на ограниченных площадках палубы, особенно при эксплуатации ЛТС с судов малого водоизмещения или специализированных судов типа БС «Диорит», где свободные рабочие пространства для размещения какого-либо дополнительного оборудования с размерами 2х2 м и более, не предусматриваются [3].

Такая ситуация явилась объективной предпосылкой для создания ЛТС с уменьшенными габаритами, прежде всего донного основания. Например, усовершенствованные варианты стабилизирующих опор УМБ-130/25 и УМБ-2М (рис. 1, 2) с длиной опорных лап до 1м практически обеспечивают размещение установки на палубе любого судна. Все конструктивные элементы опор выделенных установок можно разбирать так, что их геометрические и весовые

© В. Б. Малеев, Н. Й. Скорынин, О. И. Калиниченко, Д. В. Кожевников, 2014


71

габариты обеспечивают оперативный и удобный с точки зрения выполнения палубных работ во время монтажа и транспортирования установки без загромождения проходов во время длительных переходов или переходов судна на точку бурения. Вместе с тем, при уменьшении опорной поверхности донного основания зачастую возникала проблема обеспечения надежной устойчивости установки на морском дне.

Как правило, в условиях производства область гарантированной стабилизации ГБС обеспечивалась за счет подбора уменьшенной длины колонкового набора. Это в свою очередь предполагало дополнительные материальные затраты, обусловленные комплектацией установки дополнительными наборами колонковых труб согласованной длины, а процесс подбора сопровождался подготовительными работами, связанными с выполнением настроечных рейсов, количество которых во многом определялось опытом и профессиональной интуицией бурильщиков.

Поэтому, решение задачи определения нагрузки опрокидывающей ЛТС можно рассматривать как фактор достижения повышенной эффективности и эксплуатационных показателей ЛТС.

Рис. 1 - Установка УМБ-2М Рис. 2 - Стабилизирующая опора установки УМБ 130/25

Рис. 3 - Стабилизирующая опора установки УМБ 130

С точки зрения получения прогнозных данных гарантирующих надежную стабилизацию

установки решающее влияние оказывают рельеф дна и опрокидывающая сила, формирующаяся подводными течениями. Выделенные факторы, дополненные весогабаритными характеристиками бурового снаряда и донного основания, являются проектными показателями, определяющими устойчивость установки на точке бурения скважины.

При отсутствии, или несущественности подводных течений предполагается два варианта решения задачи. С одной стороны, для заданных весогабаритных характеристиках ГБС и донного основания прогноз устойчивого положения установки (при постановке ее на дно) предполагает оценку предельного значения угла наклона рельефа дна. С другой стороны, при известном рельефе дна, задача сводится к ограничению длины колонкового набора, формирующего общую длину и обусловливающую смещение центра тяжести установки (системы «гидроударник + колонковый набор + донное основание»), при котором результирующий момент, действующий на установку, окажется недостаточным для ее опрокидывания.

В общем случае условие сохранения эксплуатационного положения установки предполагает оценку предельного значения наклона донного основания при остановке его на дно. При решении задачи имеют место нерегулируемые параметры в виде опорной площади донного основания, а также размеры и масса гидроударного механизма.


72

Рис. 4 – Расчетная схема к оценке границы устойчивой стабилизации установок типа УМБ на морском дне:

1L , 1G - длина и вес гидроударника; 2L , 2G - длина и вес колонкового набора; ,а h - длина и высота

опорных лап донного основания; 3G - вес донного основания; - угол наклона рельефа дна. Предполагая заданную длину колонкового набора ( 2L ) и гидроударника ( 1L ), предельное

значение (рис. 4, б) может быть определено из условия неустойчивого равновесия установки на дне. В этом случае результирующий опрокидывающий момент относительно точки А обусловливается весовыми характеристиками гидроударника ( 1G ), колонкового набора ( 2G ) и

донного основания ( 3G ).

До постановки установки на дно, 1G , 2G , 3G находятся на одной вертикали (рис. 4, а) с

координатами центра массы гидроударника, колонкового набора и донного основания, соответственно, 2/1L , 2/2L и 2/h .

Предельное (неустойчивое) положение системы определяется условием, когда результирующая сила G , имеющая координату сх , проходит через точку «А» (рис. 4, б).

В общем виде коэффициент центра тяжести системы может быть выражен зависимостью [4]

G

xGxGxGxc

332211 , (1)

где )2

( 121 h

LLx - координата приложения силы 1G ; )

2( 2

2 hL

x - координата приложения

силы 2G ; 2/3 hx - координата приложения силы 3G ; 321 GGGG .

При заложенных весогабаритных характеристиках элементов установки, соблюдение

условия выполняется при hx

a

OC

AOtg

c . Откуда угол, при котором установка сохраняет

устойчивость при постановке ее на дно, определяется из соотношения


73

)(arghx

atg

c . (2)

Совместное решение (1) и (2) позволяет инженерно оценить предельный угол рельефа дна, при котором обеспечивается возможность эксплуатации установки.

Эти же зависимости при известном рельефе дна и значении опорной площади донного основания могут быть использованы для обоснования длины колонкового набора 2L , при которой

будет соблюдаться соотношение (2), соответствующее условию устойчивого положения установки на морском дне.


1. Калиниченко О.И. Гидроударные буровые снаряды и установки для бурения скважин на шельфе Калиниченко О.И., Зыбинский П.В., Каракозов А.А..- Донецк: «Вебер» (Донецкое отделение), 2007. – 276 с.

2. Калиниченко О.И. Разработка погружных гидроударных снарядов для бурения подводных разведочных скважин со специализированных плавсредств /Калиниченко О.И., Каракозов А.А., Зыбинский П.В. //Сб. научн. трудов. – Вып.8. – Киев: ИСМ им. В.Н.Бакуля НАН Украины, 2005. – с. 92-95.

3. Калиниченко О.И. Установки для бесколонного бурения скважин на морских акваториях /Калиниченко О.И., Хохуля А.В., Зыбинский П.В., Каракозов А.А.. – Донецк: Донбасс, 2013.-163 с.

4. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. –М.: Высшая школа, 1986. -410 с.


В. Б. Малеев, М. Й. Скоринін, О. І. Калініченко, Д. В. Кожевніков

ДНВЗ «Донецький національний технічний університет», Донецьк, Україна

Оцінка межи стійкої стабілізації установок типу УМБ на морському дні

Разроблено метод визначення межи стійкої стабілізації установок типу УМБ на морському дні. Критичне значення опрокидуючого моменту розраховується з умов формування навантажень, діючих на буровий снаряд и елементи установки при заданих параметрах опорної площини донного основання.

Ключові слова: легка заглибна установка, гідроударний буровий снаряд, донне основання, опрокидуючий момент, межа стійкої стабілізації установки на дні.

V.B. Maleev, N.I. Skorynin, O.I. Kalinichenko, D.V. Kozhevnikov

Donetsk National Technical Universiny, Donetsk, Ukraine

Stability threshold estimation for installations like UMB on the seabed

We developed a method of stability threshold estimation for installations like UMB on the seabed. The limit value of the rolling-over moment is calculated from the conditions of forming loads affecting the boring shell and installation elements in given parameters of reference area of this foundation.

Keywords: light dipping installations, hydroshok boring shell, ground base, rolling-over moment, bounds of steady stabilizing installation at the bottom.


74

УДК 551.242.1.03

В. А. Корчемагин1, Д. В. Корчемагин2, О. Г. Черныш1 1 ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», Донецк, Украина

2 Московский государственный университет, Москва, Россия

Поля напряжений и деформаций Тюрингского Леса

В статье рассмотрены вопросы формирования геологической структуры горного хребта Средней Германии – Тюрингского Леса. По результатам полевых тектонофизических исследований трещинной и жильной тектоники были реконструированы тектонические поля напряжений и стадийность их развития, поля суммарных хрупких деформаций в пределах флюорит-баритовых шахт рассматриваемой территории.

Ключевые слова: трещинно-жильная тектоника, поля напряжений и деформаций.

Во время совместных полевых тектонофизических исследований студентами Фрайбергской горной академии под руководством В. Вебера и одним из авторов проводилось изучение трещинной и жильной тектоники в горных выработках и на обнажениях Тюрингского Леса и Фогтланда на участках флюорит-баритовых шахт Момель, Хюн, Илменау, Фортшритт и Шенбрюнн. Было измерено свыше 4000 зеркал скольжения и минеральных жил, определена их кинематика и вещественный состав. Тектонофизическая интерпретация этих фактических материалов по разным причинам была осуществлена частично [1] и окончательно стала возможна лишь теперь.

К настоящему времени опубликовано много работ, в которых подробно рассматриваются геология, структурная и вещественная эволюция месторождений Тюрингского Леса [2–5]. Это позволяет, не останавливаясь на этих вопросах, непосредственно перейти к характеристике трещинной и жильной тектоники, а также полей деформаций и напряжений указанных шахт. Методической основой данной характеристики является кинематический анализ структур разрушения горного массива [6–11] и программное обеспечение GEOS, разработанное Гущенко, Мостриковым и др. [12].

На рисунке 1 приведены соответственно стереограммы зеркал скольжения и минеральных жил, сводные по рассматриваемым месторождениям. На участке шахты Момель они характеризуют горные выработки общей протяженностью около 2 км вдоль жил "Белая Роза", "Новая Надежда", "жила 26-а" и др. Всего было составлено почти 40 стереограмм в Трузетальском граните, метаморфитах и осадочных отложения пермо-триаса. На месторождении Хюн наблюдения проведены также в разных породах на 3-х горизонтах шахты вдоль Главной жилы, Турмганг и др. на протяжении более 1 км. Менее детальные наблюдения выполнены на месторождениях Ильменау, Фортшритт и Шенбрюнн.

Несмотря на разную детальность наблюдений, все стереограммы зеркал скольжения отражают практически идентичную трещинную и жильную структуру. Эта структура почти одинакова также в различных породах. В ней можно выделить отдельные системы подвижек, которые были ранее установлены на месторождении Ильменау [2] или системы сколов, обеспечивающих линзовидную форму барит-флюоритовых жил на месторождении Хюн [3, 5]. Однако это выделение возможно лишь условно.

Прежде всего, на всех сводных стереограммах зеркал скольжения отчетливо устанавливается два основных максимума. Один из них, наиболее развитый, отвечает сколам параллельным краевым разрывам. Его ориентировка – аз.пад. 20-40060-700. Вектор смещения на стенках данной системы зеркал чаще всего ориентирован по падению, отклоняясь от этого направления влево и вправо на угол до 400 (рис. 1А). Причем отмечаются как взбросо-сдвиговые, так и сбросо-сдвиговые смещения. Второй максимум с ориентировкой подвижек – аз.пад. 200-220060-700 – и вектора смещения преимущественно по падению или восстанию трещин, по всей © В. А. Корчемагин, Д. В. Корчемагин, О. Г. Черныш, 2014


75

видимости, соответствует Риделевским оперяющим трещинам скола и отрыва [8]. Неоднократные реверсивные подвижки по основным краевым разрывам обеспечили широкие, расплывчатые максимумы зеркал скольжения и пеструю картину перемещений.

Несколько менее расплывчатую, но примерно подобную ориентировку в пространстве, что и зеркала скольжения, имеют минеральные жилы (рис. 1Б).

Примечательно, что жилы, выделяемые по стадиям минерализации от I до IV, мало отличаются по ориентировке в пространстве. Самые мощные (до 10-15 м) и протяженные (до 3-4 км) жилы примерно параллельны наиболее развитым зеркалам скольжения и наиболее представительным максимумам распределения жил (рис. 1Б).

А

Σ=1916 Σ=1326 Σ=381 Σ=314

а б в г

Б

а б в г

Рис 1 – Сводные стереограммы зеркал скольжения (А) и минеральных жил (Б) месторождений

Тюрингского леса:

а – Момель; б – Хюн; в – Ильменау; г – Фортшритт

1 – полюс разрыва с направлением смещения висячего крыла Параметры суммарных полей хрупких деформаций были вычислены по двум независимым

выборкам: по совокупности зеркал скольжения и по минеральным жилам (табл. 1); как по отдельным месторождениям, так и по глыбе Тюрингского Леса в целом. Обращает на себя внимание устойчивость полученных результатов с некоторыми, объяснимыми вариациями.

Так месторождения Момель и Хюн в результате подвижек по всем зеркалам скольжения, как и почти вся территория Тюрингского Леса, испытала преимущественно почти вертикальное удлинение и субмеридиональное (по азимуту 30-2050) горизонтальное укорочение. О вертикальном высвобождении массива свидетельствуют также значения Z–компоненты эллипсоида суммарных деформаций, колеблющиеся в пределах 1.151-1.170. Месторождения Илменау и Шенбрюн характеризуются меньшим количеством данных, но здесь определяется обратная картина, хотя и конформная, указывающая на то, что отдельные блоки могли испытывать дифференциальные и реверсивные подвижки.


76

Таблица 1 – Основные параметры полей суммарных хрупких деформаций месторождений Тюрингского Леса

Элементы залегания осей, аз.пад/угол пад.,

град

Всего

ось ε1 ось ε3

με ε3 ε2 ε1 X Y Z

По зеркалам скольжения Хюн 1326 1483 2047 -0,19 1,167 0,980 0,853 0,878 0,959 1,163

Момель 1916 21586 314 -,362 1,171 0,963 0,865 0,892 0,937 1,170

Шенбрюнн 314 21915 32239 -0,495 1,130 0,963 0,907 1,037 1,011 0,952

Ильменау 381 22613 2276 -0,029 1,105 0,998 0,897 1,042 1,049 0,909

Тюрингский

Лес в целом

3623 30289 2070 -0,305 1,151 0,972 0,877 0,896 0,953 1,151

По минеральным жилам

Хюн 1 68 2017 25960 -0,862 1,519 0,768 0,712 1,373 0,839 0,788

Хюн 2 197 1516 27337 -0,901 1,484 0,777 0,740 1,386 0,797 0,817

Момель 2 15 2004 10731 -0,391 1,263 0,939 0,798 1,215 0,881 0,904

Момель 3 52 19215 3674 -0,581 1,341 0,889 0,769 1,289 0,905 0,807

Момель 4 83 19321 6161 -0,882 1,466 0,788 0,746 1,351 0,810 0,839

Момель 5 81 19317 31762 -0,875 1,442 0,800 0,758 1,356 0,824 0,820

Фортшритт 1 302 2134 12125 -0,493 1,335 0,906 0,760 1,175 0,944 0,881

Фортшритт 2 302 2142 1245 -0,786 1,439 0,818 0,743 1,216 0,966 0,818

Фортшритт 3 70 2188 1275 -0,741 1,396 0,843 0,761 1,153 0,994 0,853

Ильменау 143 335 25983 -0,501 1,341 0,902 0,756 1,209 1,030 0,761

Примечание: με – коэффициент Лодэ-Надаи, отражающего условия деформирования массива; ε1, ε2, ε3 – числовые значения осей ε1, ε2, ε3; X, Y, Z – проекции оси ε1 на соответствующие географические оси

По данным о жилах по всем месторождениям устанавливается стабильная ориентировка

удлинения массива в субгоризонтальном субмеридиональном направлении, почти поперечном относительно общего простирания Тюрингского Леса и параллельном к оси укорочения, установленном по зеркалам скольжения. Значения коэффициента Лодэ-Надаи, изменяющиеся в пределах от –0,5 до –0,9, и значения Z-компоненты, меньшие единицы, как и переориентировка осей суммарных деформаций определенным по зеркалам и по жилам, указывают на сложную историю развития тектонического поля напряжений.

Интерпретация всей совокупности зеркал скольжения, замеренных в глыбе Тюрингского Леса, и по отдельным месторождениям, позволяет выделить, по крайней мере, 6 этапов развития поля напряжений (табл. 2). Самое молодое, по-видимому, современное поле напряжений характеризуется субмеридиональным, почти горизонтальным положением главных нормальных напряжений, субвертикальной у южного и субгоризонтальной, продольной ориентировкой оси растягивающих напряжений и положительными значениями коэффициента Лодэ-Надаи. Данные характеристики близки к результатам экспериментальных определений современных напряжений in situ [13, 14].


77


78

Таблица 2 – Этапы развития поля напряжений флюорит-баритовых месторождений Тюрингского Леса

Этап Количество замеров

% Тип поля напряжения Элементы залегания осей, аз.пад/угол пад., град.

Коэффициент Лодэ-Надаи

μσ σ3 σ2 σ1

Хюн A 1326 25,2 сбросо-взбросовый 2355 1140 20435 0,95 B 1326 19,4 сбросо-сдвиговый 2656 20634 2960 0,95 C 1326 12 сдвиговый 20620 2670 1160 -0,95 D 1326 21 сбросо-взбросовый 20435 1140 2355 0,85 E 1326 16,6 взбросо-сдвиговый 2960 20634 2656 0,95 F 1326 16 сдвиговый 1160 2670 20620 0,00

Ильменау A 381 22,8 сдвиговый 30617 11573 2153 0,10 B 381 31,2 взбросовый 30414 21114 7970 0,95 C 381 27,6 взбросовый 350 30520 12570 0,45 D 381 25,2 сдвиговый 2153 11573 30617 -0,85 E 381 28,6 сбросовый 7970 21114 30414 -0,65 F 381 22,6 сбросовый 12570 30520 350 -0,45

Момель A 1916 25,3 сбросовый 6178 2967 20510 -0,75 B 1916 29,5 сбросовый 3065 21025 3000 -0,95 C 1916 12,3 сдвиговый 21012 3078 3000 0,65 D 1916 18,7 взбросовый 20510 2967 6178 0,95 E 1916 20,1 взбросовый 3000 21025 3065 0,95 F 1916 14,7 сдвиговый 3000 3078 21012 0,25

Шенбрюнн A 314 24,8 сбросовый 15484 2834 135 -0,5 B 314 27,1 сбросовый 18975 915 990 -0,7 C 314 16,6 сдвиговый 118 19182 2810 0,95 D 314 29,3 взбросовый 135 2834 15484 0,25 E 314 27,7 взбросовый 990 915 18975 0,95 F 314 13,4 сдвиговый 2810 19182 118 -0,95

Они отражают последовательное развитие структуры Тюрингской глыбы, от опускания до

поднятия, как это наглядно показали Францке и др. [2, 3, 5]. Обращает на себя внимание удивительно близкое соответствие параметров поля

напряжений 3 и 4 этапов развития (табл. 2) и поля деформаций, восстановленное по жилам (рис.3, табл. 1). Наиболее благоприятные условия для образования промышленных барит-флюоритовых жил существовали, таким образом, именно в это время.


1. Weber, W., Korchemagin, V.A. Tiefenbruchstructuren und postmagmatogene Mineralisation. – Freib.Forsch, 1977. – 82 S.

2. Franzke, H. J., Friedel, C. H. Resultate einer tektonischen Paläospannunganalyse im südöstlichen Thüringer Wald. - Z. Geol. Wiss., Berlin, 1983. – 8. – S. 973–989.

3. Franzke, H. J., Hähnel, R., Seidl E., Böhner, H., Morgenroth, V. und Schott, H. Zu Fragen der Gangtektonik im nordwestlichen Thüringer Wald. - Geoprofil, Freiberg, 1991. – S. 62–74.

4. Morgenroth, V., Böhner, H. Zur Geologie der Spatlegerstätten im Raum Trusetal. - Veröff. Naturkundemuseum Erfurt, 1992. – S. 89–94.

5. Hähnel, R., Hähnel, Ch. Mädler, J., Meinel, G. und Wunderlich, J. Struckturelle und stoffliche Entwicklung der anhydritführenden Karbonat - Baryt - Fluorit - Assoziation in der Lagerstätte Hühn (Nordwestlicher Thüringer Wald ). Geol.Jb. Hessen. – Wiesbaden, 1995 – S. 5–21.

6. Hoppener, R. Probleme der physikalischen Tektonik. Elastische Spannungen und Reibungsspannungen. – Z.deuch.geol.Gess. – 1963. – S. – 206–227.


79

7. Bankwitz, P. Über Klüfte – Geologie, Berlin, 1966. – 8. – S. 896–941. 8. Гзовский М.В. Основы тектонофизики. – М.: Наука, 1975. – 536 с. 9. Гущенко О.И. Анализ ориентировок сколовых тектонических смещений и их тектонофизическая

интерпретация при реконструкции палеонапряжений // Док. АН СССР. – 1973 – т. 210. – №2. – С. 331–334.

10. Гущенко О.И. Обоснование метода реконструкции напряженного состояния земной коры по ориентировкам сдвиговых тектонических смещений (по геологическим и сейсмологическим данным) / О.И. Гущенко, Л.А. Сим: Механика литосферы. Тез. докл. Всесоюз. науч.–техн. совещ. – Л–М.: 1974. – С. 5−8.

11. Корчемагин В.А. К методике реконструкции и разделения наложенных полей напряжений / В.А. Корчемагин, В.С. Емец // Док. АН СССР. – 1982. – т.263. – №1. – С. 163–168.

12. Гущенко О.И., Гущенко Н.Ю., Мострюков А.О. и др. Тектонический стресс-мониторинг и поля напряжений Причерноморского региона / Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Гірничо-геологічна. Випуск 32 – Донецьк, ДонНТУ, 2001. – С. 104–117.

13. Bankwitz, P., Bankwitz, E., Franzke, H.J., Rauche, H. und Dannappel M. In situ - Spannungsmessungen in Thüringen und Sachsen. – Brandenburgische Geowiss. Beitr. Kleinmachnov, 1995. – 2. – S. 77–94.

14. Schroder, B., Bankwitz, P., Bankwitz, E., Franzke, H.J., Maier, M., Peterek, A., Rauche, H. Spät- und postvariscische tektonische Entwicklung am Sudwest-Rand der Bomischen Masse. – DFG-Bericht, Bochum, 1994. – 57 S.


В. А. Корчемагин1, Д. В. Корчемагин2, О. Г. Черниш1 1 ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», Донецк, Украина 2 Московский государственный университет, Москва, Россия

Поля напружень та деформацій Тюрінгського лісу

Стаття присвячена питанням формування геологічної структури гірського хребту Середньої Германії – Тюрингського Лісу. За результатами польових тектонофізичних досліджень тріщинної та жильної тектоніки було реконструйовано тектонічні поля напружень та стадійність їх розвитку, поля сумарних крихких деформацій у межах флюорит-баритових шахт території, що розглядається.

Ключевые слова: тріщинно-жільна тектоніка, поля напружень та деформацій.

V. Korchemagin1, D. Korchemagin2, O. Chernysh1 1 Donetsk National Technical University, Donetsk, Ukraine 2 Moscow State University, Moscow, Russia

Fields of stresses and deformations of Thüringer Wald

The questions about formation of the geological structure of Middle Germany mountain range named Thüringer Wald were considered. Paleostress fields and their progress staging and the fields of total brittle deformations on the basis of the field tectonophysical findings of fractured and vein tectonics within fluorite and barite-bearing mines were reconstructed.

Keywords: fractured and vein tectonics, paleostress fields, deformation fields.


80

УДК 622.233:551.49

А. А. Кожевников, Р. Е. Дычковский, А. К. Судаков ГВУЗ «Национальный горный университет», Днепропетровск, Украина

Геолого-технические условия оборудования гидрогеологических скважин криогенно-

гравийными фильтрами

Обоснована необходимость бурения гидрогеологических скважин при организации хозяйственно-питьевого водоснабжения, как в Украине, так и во всем мире. Представлены результаты рассмотрения предпосылок разработки криогенной технологии изготовления блочного гравийного фильтра и оборудование им продуктивных горизонтов буровых скважин. Рассмотрены рекомендации по подбору крупности гравийного материала однослойных обсыпок фильтров буровых скважин. В результате анализа геолого-технических условий оборудования гидрогеологических скважин криогенно-гравийными фильтрами: расширена область применения гравийных фильтров; обобщены сведения по температуре пластовых вод на территории Украины; обоснованы исходные данные для разработки технологий изготовления криогенно-гравийных элементов и оборудования водоприемной части гидрогеологических скважин криогенно-гравийными фильтрами.

Ключевые слова: гидрогеологическая скважина, криогенная технология, криогенно-гравийный фильтр, минераловяжущий материал.

Актуальность и состояние проблемы

В буровых скважинах различного назначения на воду, нефть, газ и при подземном выщелачивании движение флюидов осуществляют: в прямом (из скважины), в обратном (в скважину), и реверсивном направлениях (скважины подземных хранилищ газа). На весь период действия скважины стенки ее в пределах продуктивного пласта должны быть устойчивыми. Это достигается установкой в скважине фильтра, назначение которого состоит в предохранении стенок скважин от обрушения и в очистке флюидов, поступающих на дневную поверхность от твердых примесей.

В зависимости от крупности частиц горной породы продуктивного пласта, конструкции фильтров могут применяться от самых простых – трубчатых с перфорацией или каркасно-стержневых до самых сложных – гравийных. Гравийные фильтры применяют в скважинах, когда продуктивный пласт представлен песками, причем если пески среднезернистые, то рекомендуется фильтр с однослойной гравийной обсыпкой, если пески мелкозернистые, то фильтр рекомендуется многослойный (двух- трехслойный).

Гравийные фильтры существуют двух конструкций и технологий изготовления. При первом варианте гравийный фильтр создается на дневной поверхности и в готовом виде опускается в скважину. Во втором варианте в скважину, после спуска каркаса фильтровой колонны доставляется рыхлый гравийный материал. Обе конструкции и технологии имеют свои достоинства и недостатки. Существенными недостатками этих технологии является их сложность и дороговизна выполнения технологических операций.

Эта проблема является актуальной при организации хозяйственно-питьевого водоснабжения, как в Украине, так и во всем мире. Еще никогда проблема питьевой воды не стояла перед человечеством так остро, как в последние годы. В ознаменование официального признания значения водных проблем Генеральная Ассамблея ООН провозгласила период 2005—2015 годов международным десятилетием «Вода для жизни».

Проблема питьевой воды в мире приобретает все большую остроту. Это связано с тем, что практически все пресные источники стали в той или иной степени загрязненными продуктами жизнедеятельности человека.

© А. А.Кожевников, Р. Е. Дычковский, А. К. Судаков , 2014


81

Выход один – бурение гидрогеологических скважин. Более 60% скважин на воду создаются в водоносных горизонтах, представленных рыхлыми отложениями.

Решению этой крупной и актуальной научной проблемы, состоящей в научном обосновании параметров эффективной технологии создания гравийных фильтров буровых скважин, водоприемная часть которых представлена тонкозернистыми песками, имеющей важное практическое значение, и посвящена настоящая работа.

Целью статьи является рассмотрение предпосылок разработки криогенной технологии изготовления блочного гравийного фильтра и оборудование им продуктивных горизонтов буровых скважин.

Изложение основного материала. Геологические предпосылки оборудования буровых скважин криогенно-гравийными фильтрами

Подбор обсыпок при создании гравийных фильтров является одним из наиболее ответственных этапов в комплексе работ, связанных с проектированием, сооружением и эксплуатацией водозаборных скважин.

При оборудовании водоприемной части гравийными фильтрами необходимо знать размер частиц породы, в которой намечается установить фильтр, и количественное соотношение этих частиц между собой. Для определения содержимого (в процентах) в породе частиц разного размера проводится анализ ее гранулометрического состава.

В гравийных фильтрах в качестве обсыпки применяют песок, гравий и песчано-гравийные смеси. Материал обсыпки должен быть однородным, хорошо окатанным и просеянным.

Подбор размера материала для однослойных гравийных обсыпок фильтров можно проводить, исходя из рекомендаций, представленных в табл. 1.

В отечественной практике [6,7] подбор крупности материала для однослойной гравийной обсыпки осуществляется исходя из D50=(812)d50.

Расхождение в рекомендациях на наш взгляд связаны с многообразием используемых технологий и условий создания гравийной обсыпки при оборудовании водоприемной части скважины.

Рекомендации по подбору размеров гравия (табл. 1) даны для условий эксплуатации нефтяных (№№ 1, 2, 3, 8) и гидрогеологических (№№ 4, 5, 6, 7) скважин. Анализ рекомендаций позволяет сделать вывод, что рекомендуемый диаметр гравия обсыпки находится в широких пределах.

В зарубежной практике [8] принято, чтобы крупность гравийной обсыпки D50 в 46 раз была больше диаметра частиц песка водоприемной части скважины d50 .

Результаты расчета гранулометрического состава материала гравийной обсыпки приведены в табл. 2.

Табл. 1. Выражения, определяющее размер гравия гравийной обсыпки

№ пп Автор Размер гравия обсыпки Источник 1 Коберли и др. D=(10…13)d90 [1] 2 С.М. Кулиев D=(10…12)dэ [2] 3 И.М. Муравьев и др. D10=(6…8)d10 [3] 4 В.М. Гаврилко и др. D50=(8…12)d50 [4] 5 В.И. Фоменко D50=(7…9)d50 [5] 6 СНиП D50=(8…12)d50 [6,7] 7 Р. Саусером D50=(4…6)d50 [8] 8 Г. Иоаким D=(4…8)d [9]

В таблице: D – размер зерен гравия; d – размер зерен пород пласта; d90 – размер зерен пород пласта в

90%-ной точке кривой гранулометрического состава; D50 – диаметр частиц гравийной обсыпки, соответствующий 50% -у ситовому отсеву; dэ – диаметр мелких частиц породы приведенных по объему к шару, выносимых фильтрационным потоком; d50 – размер зерен пород пласта в 50%-ной точке кривой гранулометрического состава; D10 – размер зерен гравия в 10%-ной точке кривой фракционного состава; d10 – размер зерен песка в 10%-ной точке кривой гранулометрического состава.


82

Исходя из рекомендаций [6, 7] для оборудования водоприемной части гидрогеологических скважин, представленной мелкозернистым песком, следует применять трубчатые или стержневые фильтры с однослойной, двух- или трехслойной гравийно-песчаной обсыпкой. Также допускается применение блочных фильтров.

На практике водоприемную часть скважин в тонкозернистых и пылеватых песках стараются не изготавливать, даже если воды хорошего качества. Такие вышележащие интервалы изолируют обсадными колоннами, или, при наличии геологической информации, не вскрывают вовсе. Это обстоятельство обусловлено тем, что при существующих технологиях, рассмотренных в первом разделе, гарантированно получим некачественную воду, которая содержит большое количество механических примесей вымываемых потоком добываемой воды из водовмещающих пород пласта (горизонта).

С целью расширения области применения гравийных фильтров, а следовательно привлечения для питьевого водоснабжения большего числа водоносных горизонтов, представленных тонкозернистыми и пылеватыми песками, предлагается применять криогенно-гравийные фильтры (КГФ), которые в соответствии с табл. 2 имеют диаметр частиц обсыпки водоприемной части скважин D50 равный 0,5...0,75 мм.

Табл. 2. Расчетный размер частиц гравийной обсыпки

Породы Размер частиц породы, мм

Размер частиц обсыпки по [6,7], мм

Размер частиц обсыпки по [8], мм,

Песок среднезернистый 0,5-0,26 5,02,6 2,51,3 Песок мелкозернистый 0,25-0,11 2,51,1 1,250,55 Песок тонкозернистый 0,1-0,06 1,00,6 0,50,3 Песок пылеватый 0,05-0,01 0,50,1 0,250,05

А - гидрогеологическая область трещиноватых вод Украинского кристаллического массива; Б - Днепровско-Донецкий артезианский бассейн; В - Волыно-Подольский артезианский бассейн; Г - Причерноморский артезианский бассейн; Д - Донецкая складчатая гидрогеологическая область; Е - Закарпатская складчатая

гидрогеологическая область; Ж - бассейн трещиноватых вод горного Крыма Рис. 1 - Схема районирования гидрогеологической территории Украины по температуре пластовых вод


83

Температура скважинных вод. Нами проведено районирование подземных вод Украины с учетом глубин залегания и температурного фактора, полученных Б.Л. Личковым, В.И. Лучицким, К.И. Маковым, О.К. Ланге, Н.И. Толстихиным, С.А. Рубаном и другими исследователями [10-12] (рис. 1).

В ходе анализа имеющихся литературных источников было установлено распределение подземных вод на территории Украины, которое обусловлено геологическим строением и историей естественного развития разных ее частей.

Территория Украины представляют собой обособленные гидрогеологические регионы, отличные друг от друга возрастом, составом и условиями залегания слагающих их образований и совокупности основных природных факторов, которые определяют закономерности формирования, распределения, состава и условий эксплуатации подземных вод.

Из рис. 1 видно, что температура пластовых вод даже в соседних гидрогеологических областях хоть и имеют один порядок, но отличаются в разы при одних и тех же глубинах. Особенно это заметно в восточных регионах Украины. При глубинах скважин до 250 м вне зависимости от времени года температура пластовых вод не превышает +200С. В виду этого разработка параметров технологии оборудования буровых скважин и конструкция КГФ велась для холодных скважинных вод.

Технические предпосылки оборудования буровых скважин криогенно-гравийными фильтрами

1. Условия омоноличивания. В работе [13] В.М. Гаврилко пишет, что: „В зимних условиях блоки цементируются водой способом замораживания”, т. е. с использованием естественного холода.

В виду того, что среднегодовая температура на территории Украины составляет +9,2°С, а строительство гидрогеологических скважин в основном ведется в весенне-летне-осенний период, то использование естественного холода для омоноличивания фильтров блочной конструкции по низкотемпературной технологии, предложенной М. В. Гаврилко, становится невозможным. Исключением является только зимний период, когда температура окружающей среды снижается ниже отметки −10°С.

В климатических условиях Украины гарантированное замораживание КГФ фильтра возможно достичь за счет использования источников искусственного холода. В качестве источников искусственного холода могут служить морозильные лари, рефрижераторы и криокамеры. При этом температура среды, в которой происходит замораживание КГФ, может изменяться в диапазоне от −10°С до −20°С.

2. Состояние материала гравийной обсыпки. При оборудовании продуктивной части буровой скважины, материал гравийной обсыпки рабочей части фильтра может находиться: в рыхлом состоянии; в твердом состоянии; в дезинтегрированном состоянии (рис. 2).

При оборудовании водоприемной части буровых скважин с применением гравийно-засыпных и гравийно-опускных, корзинчатых и кожуховых, фильтров материал гравийной обсыпки независимо от выполняемых технологических операций находится в рыхлом состоянии.

Технология оборудования буровых скважин гравийно-опускными блочными фильтрами предполагает необратимый фазовый переход состояния вяжущего вещества гравийной обсыпки, которое происходит за счет использования явления гидратации или полимеризации. Также известны технологии с дезинтеграцией материала гравийной обсыпки после оборудования блочным фильтром водоприемной части буровой скважины. Это вызвано необходимостью повышения эффективной пористости обсыпки., которое происходит за счет использования явления гидратации или полимеризации. Также известны технологии с дезинтеграцией материала гравийной обсыпки после оборудования блочным фильтром водоприемной части буровой скважины. Это вызвано необходимостью повышения эффективной пористости обсыпки.

При применении технологии оборудования буровых скважин гравийно-опускным криогенно-гравийным фильтром гравийно-вяжущая смесь дважды осуществляет фазовый переход (рис. 2), который наступает при температуре близкой к 00С. Первый раз при изготовлении криогенно-гравийных элементов (КГЭ) фильтра до оборудования водоприемной части гидрогеологической скважины, второй – при транспортировке КГФ по стволу скважины, т.е. происходит инверсный двухфазный переход вяжущего вещества гравийной смеси фильтра.


84

2) Технологии оборудования буровых скважин гравийно-опускными корзинчатыми, кожуховыми фильтрами

Исходное состояние материала гравийной

обсыпки

Изготовление гравийной обсыпки

Транспортировка материала гравийной обсыпки по стволу

скважины

Конечное состояние материала гравийной

обсыпки

рыхлое рыхлое рыхлое рыхлое

3) Технологии оборудования буровых скважин гравийно-опускными блочными фильтрами


обсыпки



скважины


обсыпки

дезинтегрированное

монолитное


рыхлое монолитное


обсыпки


скважины


обсыпки

рыхлое рыхлое рыхлое

1) Технологии оборудования буровых скважин гравийно-засыпными фильтрами

4) Технология оборудования буровых скважин гравийно-опускным криогенно-гравийным фильтром


обсыпки



скважины


обсыпки



рыхлое рыхлое

Рис. 2. Состояние материала гравийной обсыпки при оборудовании буровых скважин фильтрами


85

Как показали исследования технологии предложенной М.В. Гаврилко [13], проведенные автором, омоноличинный гравий посредством замороженной воды при транспортировке по стволу скважины в среде скважинной жидкости мгновенно растепляется. Вследствие чего блоки гравия в монолитном состоянии возможно доставить ниже статического уровня скважинной жидкости hст на глубину не более 5 м.

При сложившейся ситуации необходимо применение инверсных, экологически чистых, а следовательно органического происхождения, минераловяжущих веществ на водной основе, которые бы замедляли бы процесс растепления. При этом выбранное вещество должно быть высоко технологичным. Оно должно позволять в широком диапазоне изменять физико-механические свойства КГЭ фильтра, что в конечном счете позволит управлять глубиной и временем оборудования КГФ водоприемной части скважины. Это достигается за счет изменения:

- массовой концентрации минераловяжущего вещества на водной основе; - температуры заморозки КГЭ фильтра Tзам; - скорости транспортировки КГФ в среде скважинной жидкости по стволу скважины; - физических свойств сред нахождения КГФ (рис. 3). При этом КГФ находится, как в воздушной среде, так и в среде скважинной жидкости. Их физические свойства изменяются или возможно изменять в широком диапазоне. Они зависят от времени года, места нахождения КГЭ фильтра, технологии оборудования КГФ водоприемной части скважины.

- +Тв.ср.

+T,0С - T,0С

hвг

hж

hкр

Lскв

.. урстводыT

..ВГкрводыT

..ВГпводыT

Lск, м

0

hст1

2

Рис. 3. Изменение температуры среды при оборудовании водоприемной части гидрогеологической скважины КГФ

3. Температурный режим сред. При изготовлении КГЭ фильтра, сборке КГФ и

транспортировке до статического уровня скважинной жидкости фильтр находится в воздушной среде. Температура, которой Твоз. может изменяться от -200С при изготовлении и до +300С и выше при сборке КГФ. В момент транспортировки КГФ по стволу скважины температура воздушной

среды Тв.ср. стремиться достичь температуры .. урстводыT скважинной жидкости на глубине

установившегося статического уровня hст.


86

При достижении статического уровня hст температура скважиной жидкости, находящейся в покое, с глубиной увеличивается на величину геотермического градиента окружающих ее пород. Тогда

.. урст

водыT<

..ВГкрводыT

≤ ..ВГп

водыT, (1)

где ..ВГкрводыT , ..ВГп

водыT - температуры скважинной жидкости, соответственно, на глубине залегания

кровли hкр и подошвы водоприемной части, равной глубине скважины Lскв В этих условиях обоснование выбора минераловяжущего вещества и его массовой

концентрации является первоочередной и наиболее важной задачей. 4. Конструктивные особенности фильтров. Создаваемый на дневной поверхности при

визуальном контроле КГФ должен иметь блочную конструкцию (рис. 4) и минимальный зазор между внутренним диаметром КГЭ фильтра D1 и наружным диаметром рабочей части фильтровой колонны Dр.ч. При этом

D1= Dр.ч.+(2÷4), мм. (2)

Сохранение этого условия обеспечит беспрепятственное соединение КГЭ с каркасом фильтровой колонны (рис. 4, б).

10

11

1

2

3

4

5

6

9

8

7

1 – отстойник; 2 – материал гравийной обсыпки; 3 –минераловяжущий материал; 4 – подкладные прутки; 5 – хомут; 6 – проволочная обмотка; 7 – трубчатый каркас фильтра; 8 – опора; 9 – надфильтровая труба;10 –

КГЭ; 11 – криогенно-гравийная секция. Рис. 4. Схема КГФ

После сборки в транспортном положении КГФ (рис. 5, а), состоящий из криогенно-

гравийных секций (КГС), разделенных опорными элементами 6, жестко соединенных с каркасом фильтровой колонны 5, транспортируется по стволу скважины к водоприемной части 3. В свою очередь КГС состоят из КГЭ фильтра 4.


87

lКГЭ

lКГС

DнКГФ

Dскв

dф.к.

а

б

δ1

lрч

lо

lн

lфк

1

2

3

4

5 6

8

9

7

10 δ2

hв.ч

Dскв=DкКГФ

ho

а – КГФ в исходном состоянии; б – КГФ в рабочем состоянии; 1 – отстойник; 2 – стенки водоприемной части скважины; 3 – порода водоприемной части скважины; 4 – КГЭ; 5 – рабочая часть фильтра; 6 – опорный элемент; 7 – надфильтровая труба; 8 – эксплуатационная колонна; 9 – цемент; 10 сальник.

Рис. 5 - Схема оборудования КГФ водоприемной части скважины Согласно правилам техники безопасности одному человеку разрешается поднимать груз

массой не более [mкр]=50 кг. Поэтому масса КГЭ фильтра не должен ее превышать. Предельно допустимая длина КГЭ определится

, (3)

где КГЭ - плотность гравийной обсыпки КГЭ фильтра; FКГФ – площадь кольцевого сечения КГЭ фильтра; R1 и R2 – внутренний и внешний радиусы КГЭ фильтра. Исходя из особенности криогенного оборудования, в производственных условиях

рекомендуется применять КГЭ фильтра с длиной lКГЭ равной 0,5 м. Тогда расчетная масса КГЭ фильтра mКГЭ определится, исходя из

. (4)

КГС состоит из нескольких КГЭ фильтра. Масса КГС фильтра

mКГС= mКГЭNКГЭ, (5)

где NКГЭ – число КГЭ в КГС. Принимаем условие, что фактический диаметр водоприемной части скважины Dф равен

диаметру породоразрушающего инструмента dд, т.е.

Dф =dд. (6)

Наружный диаметр блочного КГФ DКГФ должен быть максимально приближен к фактическому диаметру водоприемной части буровой скважины. Для посадки КГФ во вскрытую водоприемную часть скважины должно выполняться условие

DКГФ=dд- (1÷20 мм). (7)


88

Тогда блочный КГФ DКГФ с наружным диаметром равным 200 мм служит для оборудования водоприемной части буровой скважины, вскрытой инструментом dд = 219,5 мм.

Минимальный объем гравия в КГФ VКГФ, необходимого для создания обсыпки, должен быть равен

(8)

где Vв.ч - объем гравия для заполнения водоприемной части скважины; Vок – объем гравия находящегося выше башмака эксплуатационной колонны; Fкп — площадь сечения кольцевого пространства;

– площадь кольцевого пространства между каркасом фильтровой колонны и стенками

водоприемной части; hок - высота гравийной обсыпки в рабочем состоянии выше башмака обсадной колонны. Масса гравия mв.ч необходимого для заполнения водоприемной части скважины

определится, как

(9)

Тогда начальная длина КГФ , необходимая для оборудования водоприемной части

скважины, определится

(10)

После приведения КГФ в рабочее состояние (рис. 5, б) его высота уменьшится на величину lКГФ. Это обусловлено наличием зазоров между наружной поверхностью КГФ и стенками водоприемной части δ1 и внутренней поверхностью эксплуатационной колонны δ2, и определится как

, (11)

где - начальная длина КГФ после сборки;

- конечная длина КГФ в рабочем состоянии.

Выводы

В результате проведения анализа геолого-технических условий оборудования гидрогеологических скважин криогенно-гравийными фильтрами: расширена область применения гравийных фильтров; обобщены сведения по температуре пластовых вод на территории Украины; обоснованы исходные данные для разработки технологий изготовления криогенно-гравийных элементов и оборудования водоприемной части гидрогеологических скважин криогенно-гравийными фильтрами.


1. Coberli C.J. Some consideration in the selection and installation of gravel pack for oil wells / C.J. Coberli, E.M. Wagner // J. Petr. Jechn. – 1938. – August. – pp. 1 – 20.

2. Кулиев С.М. Гравийные фильтры для нефтяных скважин / С.М. Кулиев. – Баку: АН АзССР, 1949. – 146 с. 3. Муравьев И.М. Эксплуатация нефтяных месторождений / И.М. Муравьев, A.П. Крылов. – М.:

Гостоптехиздат, 1949. – 766 с. 4. Гаврилко В.М. Фильтры буровых скважин /В.М. Гаврилко, В.С. Алексеев. – М.: Недра, 1976. – 345 с. 5. Фоменко В.И. Подбор оптимальных параметров гравийно – засыпных фильтров дренажных и

водозаборных скважин / В.И. Фоменко // Труды ЦНИИгоросушение. – 1970. – Вып. 12. – С. 61 – 70. 6. СНиП II – 31 – 74 – Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. – М.: Госстрой СССР, 1974. – 162 с. 7. СНиП ІІ – 31 – 74 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. – М.: Строиздат, 1975. – 150с. 8. Szescila A.J. Gravel packing / A.J. Szescila // Drilling. – 1976. – vol. 73. – №5. – pp. 53 – 56. 9. Иоаким Г. Добыча нефти и газа / Г. Иоаким. – М.: Недра, 1966. – 543 с. 10. Гидрогеология СССР. Ресурсы подземных вод СССР и перспективы их использования. – М.: Недра,

1977. – Вып. 3. – 279 с. 11. Гидрогеология СССР. Украинская ССР./[Под ред. Ф.А. Руденко].–М.:Недра, 1971. – Т.5. –614 с. 12. Рубан С. А. Гідрогеологічні оцінки та прогнози режиму підземних вод України / С.А. Рубан, М.А.

Шинкаревський. – К.: УкрДГРІ, 2005. – 572 с.


89

13. Гаврилко В.М. Фильтры водозаборных, водопонизительных и гидрогеологических скважин / В.М. Гаврилко. – М.: Госстройиздат, 1961. – 384 с.


А. О. Кожевников, Р. Е. Дичковский, А. К. Судаков

ДВНЗ «Національний гірничий університет», Дніпропетровськ, Україна

Геолого-технічні умови обладнання гідрогеологічних свердловин кріогенної-гравійними фільтрами

Обгрунтовано необхідність буріння гідрогеологічних свердловин при організації господарсько-питного водопостачання, як в Україні, так і у всьому світі. Представлено результати розгляду передумов розробки кріогенної технології виготовлення блокового гравійного фільтру і обладнання ним продуктивних горизонтів бурових свердловин. Розглянуто рекомендації по підбору гранулометричного змісту гравійного матеріалу обсипаня фільтрів бурових свердловин. В результаті аналізу геолого-технічних умов обладнання гідрогеологічних свердловин кріогенно-гравійними фільтрами: розширено сферу застосування гравійних фільтрів; узагальнено відомості що до температури пластових вод на території України; обгрунтовано початкові дані для розробки технологій виготовлення кріогенно-гравійних елементів і обладнання водоприймальної частини гідрогеологічних свердловин кріогенно-гравійними фільтрами.

Ключові слова: гідрогеологічна свердловина, кріогенна технологія, кріогенно – гравійний фільтр, мінералов’яжучий матеріал.

A. Kozhevnikov, R. Dychkovskiy, A. Sudakov

National Mining University, Dnipropetrovsk, Ukraine

Geological and technical conditions of equipment of water wells with cryogenic-gravel filters

The necessity of boring drilling of hydrogeological drillholes is proved during organization of economic-drinkable water-supply, both in Ukraine and in the whole world. The results of consideration of pre-conditions of development of cryogenical technology of making sectional graveler and equipment are presented.

Keywords: hydrogeological well, cryogenic technology, cryogenic-gravel filter, mineral-astringent material.


90

УДК 622.278, 662.73

И. А. Садовенко, д-р техн. наук, А. В. Инкин, канд. техн. наук, Д. В. Рудаков, д-р техн. наук, Ю. В. Хрипливец

ГВУЗ «Национальный горный университет», Днепропетровск, Украина

Моделирование работы теплового модуля в условиях ликвидируемой шахты

На основе разработанной геофильтрационной модели шахты «Новогродовская 2» рассчитана температура и тепловая энергия подземных вод в затопленных горных выработках. Установлена возможность активизации их теплового ресурса с помощью подземного сжигания остаточных запасов угля сосредоточенных в некондиционных и маломощных пластах. По результатам расчетов показано, что количество тепловой энергии вырабатываемой термомодулем, расположенным на территории шахты может полностью покрыть тепловые потребности близлежащего к ней города в течение отопительного периода.

Ключевые слова: затопленная шахта, сжигание угля, подземные воды, тепловая энергия.

Введение

Одним из кардинальных направлений реструктуризации угольной отрасли Украины и восстановления природного режима в угледобывающих регионах является консервация отработанных и нерентабельных шахт. Так, согласно "Инвестиционной программе развития угольной промышленности" на территории Донбасса намечены к ликвидации 64 угольных предприятия, большая часть из которых уже закрыта [1], благодаря чему множество небольших шахтерских городов на фоне постоянно растущих цен на бензин и дизтопливо стали ощущать острую нехватку в тепловой энергии. Примером сложившейся ситуации может служить ликвидация шахты «Новогродовская 2» в Красноармейском углепромышленном районе и вызванные этим перебои в отоплении и горячем водоснабжении зданий расположенных в городе Новогродовка находящемся в 10 км от шахты. Для решения этой проблемы в работе [2] уже была показана возможность применения подземных вод затопленных выработок для отопления промышленных и гражданских объектов. На основе анализа горнотехнических условий и геолого-гидрогеологических особенностей шахты в программном комплексе «MODLOW v. 4.5» была создана численная модель геофильтрации отражающая положение уровня шахтных вод до и после прекращения водоотлива. Полученные данные позволяют выполнить моделирование гидротермодинамических процессов в пределах выделенного участка для обоснования технологических вариантов использования теплового ресурса шахтных вод, активизированного за счет подземного сжигания угля, для теплоснабжения города путем отбора и закачки воды через вертикальные горные выработки на территории шахтного поля.

Материал и результаты исследований.

С помощью численной гидрогеологической модели шахты «Новогродовская 2», подробное описание которой приведено в работе [2], был выполнен прогноз положения уровня шахтных вод на настоящий момент времени (15.01.2014 г) и предполагаемое время запуска в работу теплового модуля (01.06.2014 г). На рис. 1 показано прогнозное положение уровня подземных вод, в пределах поля шахты по результатам моделирования. Анализ распределения уровней показывает их незначительное повышение со временем.

Для оценки эффективности работы теплового модуля необходимо определить естественный тепловой потенциал затопленной шахты „Новогродовская 2”. В первом приближении можно принять [3], что гидродинамические параметры пластов не зависят от процессов теплопереноса, а температура воды и скелета пород совпадают в каждой точке. Считаем, что в пределах шахтного поля движение шахтных вод осуществляется по затопленным выработкам, теплообмен в расчетной плоскости отсутствует [4], ось Н направлена вниз (рис. 2).

© И. А. Садовенко, А. В. Инкин, Д. В. Рудаков, Ю. В. Хрипливец, 2014


91

Снизу из глубины в обводненные горные выработки поступает тепловой поток q, вызванный выделением тепла в земных недрах. Сверху ниже 6–7 м от дневной поверхности залегает нейтральный слой пород, температура которого постоянна и равна среднегодовой температуре в регионе ( +10С). При данных условиях дифференциальное уравнение теплопроводности относительно оси Н с учетом конвекции имеет вид

,02

2

H

T

a

V

H

T (1)

при следующих граничных условиях

Т = Т1 при Н = Н1,

НTq / при Н = Н2.

Общее решение уравнения (1) при заданных граничных условиях имеет вид [4]

)(exp)(exp 2121 HHBHHBB

qTT

,

a

VB (2)

При этом тепловой потенциал шахтных вод содержащихся в затопленных выработках определяется из выражения.

Q = c·ρ·t·Vоб (3)

В соотношениях (1)-(3): Т1, Н1 – соответственно температура и расстояние до нейтрального слоя; Н – глубина залегания; a, – температуропроводность и теплопроводность водонасыщенных пород соответственно; V – вертикальная скорость фильтрации; Q – количество теплоты; c, ρ, t, Vоб – удельная теплоемкость, плотность, температура и объем шахтных вод соответственно.

Рис. 1. Прогнозное положение уровня подземных вод (абс. отм. м – оттенки серого цвета) в пределах шахтного поля на 15.01.2014 г (а) и начало работы гидрогеотермального модуля (б)

На рис. 3 показана рассчитанная по формулам (2) - (3) температура и естественный

тепловой потенциал шахтных вод содержащихся в затопленных выработках. Необходимо отметить, что результаты расчетов хорошо согласуются с фактическими данными, полученными производственным геологоразведочным предприятием "Артемовская гидрогеологическая партия" в ходе замеров температуры на различных горизонтах, а общее количество тепловой энергии аккумулированной шахтными водами в среднем составляет 1300 ТДж.


92

Рис. 2. Схема для расчета теплового потока подземных вод в пределах шахтного поля

Рис. 3. Изменение температуры (Т) и количества теплоты подземных вод (Q), находящихся в затопленных выработках шахты „Новогродовская 2”: 1, 2 – соответственно расчетные и фактические данные

Использование низкопотенциального тепла шахтных вод затопленных горных выработок с

помощью геомодуля может рассматриваться в двух технологических вариантах. Первый связан с освоением естественного теплового ресурса шахты „Новогродовская 2”, второй – с его дополнительной активизацией за счет подземного сжигания остаточных запасов угля в пределах шахтного поля (рис. 4). Для достижения максимальной эффективности обе технологические схемы должны быть согласованы с годовым графиком потребления энергоносителей в г. Новогродовка..

Ввод модуля в работу планируется 01.06.2014 г. В этот период подземные воды сосредоточенные в затопленных горных выработках в интервале ± 0 + 100 м и имеющие среднюю температуру + 10 С (рис. 3) через куст "холодных" скважин расположенных на территории шахтного поля (№ 1411, 1817, 1874, 2113, 2224) откачиваются на дневную поверхность и поступают в оросительные форсуночные камеры для охлаждения воздуха. После чего, нагретыми в результате кондиционирования зданий до температуры наружного воздуха (25-30 С) они через куст "теплых" скважин (№ 3665, 3661, 3367, 3929, 3973) возвращаются в затопленные выработки, но уже на горизонт -300 - 400 м и температурой 30 С (рис. 4). Спустя два месяца после прекращения охлаждения зданий (окончание лета) вода из нижних горизонтов через "теплые" скважины вновь подается на дневную поверхность для обогрева сооружений по системе "теплый пол". Отдав низкопотенциальную тепловую энергию и остыв до 7 С отработанные воды через "холодные" скважины вновь поступают на горизонт ± 0 + 100 м. Продолжительность этого этапа эксплуатации гидрогеотермального модуля составляет пять месяцев (ноябрь-март), после чего следует двухмесячный период простоя на протяжении которого могут проводиться ремонтно-профилактические работы. Усредненные данные о предполагаемых годовых дебитах 10 скважин на территории поля шахты „Новогродовская 2” приведены в табл., знак "+" в которой соответствуют закачке воды в горные выработки, а "-" – ее отбору.


93

Рис. 4. Технологическая схема гидрогеотермального модуля на территории поля шахты „Новогродовская 2”: 1 – здание; 2 – продуктивная толща с затопленными горными выработками; 3, 4 – соответственно

"холодная" и "теплая" скважина; 5 – некондиционные угольные пласты, предназначенные для подземного сжигания; 6 – пакер; 7, 8 – путь движения шахтных вод из "холодной" и "теплой" скважины соответственно

Эффективность создания и эксплуатации геомодуля напрямую зависит от соотношения его

горнотехнических, гидрогеологических и термодинамических параметров с технологическими условиями работы и возможными тепловыми нагрузками, возникающими при отоплении г. Новогродовка. Согласно результатам, полученным в работе [5] среднее потребление тепловой энергии во время отопительного периода в поселке городского типа с 3 тысячами жителей в подобных климатических условиях составляет 5 ГДж/час. Для города Новогродовка с населением 15 тыс. чел эта величина соответственно будет равна 25 ГДж/час, что составляет приблизительно 100 ТДж тепла за весь период отопления и менее 10 % естественного теплового ресурса затопленной шахты (1300 ТДж). Однако, не смотря на имеющийся значительный запас тепловой энергии, вызванный разностью между теплом заключенном в обводненных выработках и необходимым для обогрева зданий, использование шахтных вод по первому технологическому варианту на практике сопряжено с рядом трудностей. Прежде всего, это связано с недостаточной температурой воды обусловливающей малую теплопроизводительность и эффективность геомодуля. Увеличение дебитов и числа скважин на территории шахтного поля не приведет к необходимым результатам в виду несоответствия температуры шахтных вод показателям, необходимым для теплоснабжения сооружений, без дополнительного подогрева.

Вместе с тем, нагрев вод затопленных выработок до кондиционного состояния (например, без применения тепловых насосов) возможен при работе геомодуля по второму технологическому варианту, предполагающему повышение их температуры за счет подземного сжигания остаточных запасов угля. Сжигание некондиционных и маломощных пластов залегающих в пределах поля шахты „Новогродовская 2” (к7

5, к8н, l4 и l5) предполагается производить во время отопительного

периода по технологии подробно описанной в работах [6, 7], с одновременным отбором нагретых вод из вышерасположенных затопленных выработок. При этом установление пространственно-временной динамики формирования термальных ореолов в затопленном массиве вызванных


94

отбором и закачкой разнотемпературных вод, а также тепловым потоком, поступающим из реакционного канала при подземном сжигании угля, позволит наиболее полно использовать тепловой потенциал шахты и минимизировать потери термальной энергии, связанные с взаимовлиянием "холодных" и "теплых" гидрогеотермических полей.

Моделирование процессов теплопереноса при использовании шахтных вод в качестве теплоносителей выполнено на основе разработанной и протестированной геофильтрационной модели шахты «Новогродовская 2» [2]. Необходимо отметить, что адекватность и корректность такого подхода к решению задач аккумуляции тепловой энергии в водоносных горизонтах была обоснована в работах [8, 9].

На рис. 5 приведены гидрогеотермальные поля, формирующиеся в затопленных горных выработках при использовании шахтных вод в качестве теплоносителей и подземном сжигании некондиционных угольных пластов для повышения их теплового ресурса. Их анализ позволяет количественно оценить длительность периодов прогрева подземных вод и их охлаждения в процессе отбора теплой воды. Согласно расчетам, к моменту завершения отопительного периода (спустя 2 месяца после прекращения сжигания угля) температура воды в затопленных горных выработках не опустится ниже 65 °С и останется пригодной для отопления гражданских и промышленных объектов. Из этого следует вывод, что суммарные потери тепла (диссипация) через кровлю и подошву вмещающих пород в период аккумуляции тепловой энергии в затопленных горных выработках весьма незначительны.

Таблица – Годовой цикл суммарного расхода шахтных вод по скважинам теплового модуля ш. Новогродовская 2.

Расход шахтных вод по месяцам, м3/сут

XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X Скважины

Отопление Простой Охлаждение Простой "Холодные" + 2000 – – - 3350 – –

"Теплые" - 2000 – – + 3350 – –

Рис. 5. Распределение температуры шахтных вод (°С – оттенки серого цвета) вблизи (расстояния в метрах) куста «теплых» скважин 1: а, б – соответственно к концу отопительного и летнего периода

Более заметны потери тепла после двухмесячного простоя и закачки воды летом. Так, в

результате смешения вод нагретых при подземном сжигании углей (≈ 80-90 ºС) и охлаждении зданий (≈ 30 ºС) температура воды в затопленных выработках не превышает 48 ºС. Однако на эффективность работы геомодуля это скажется незначительно в виду их последующего нагрева до кондиционных показателей путем сжигания угля в отопительный период. В целом теплопроизводительность скважин может быть определена из выражения

)( отрпостсквскв ttqсQ , (4)

где qскв – суммарный дебит куста скважин; tпост, tотр – температура поступающей и отработанной воды соответственно.


95

Количественные показатели тепловой энергии вырабатываемой тепловым модулем, расположенным на территории поля шахты „Новогродовская 2” при его работе в отопительный период по первому и второму технологическому варианту представлено на рис. 6. Там же, для сравнения, показана в тепловом эквиваленте мощность, затрачиваемая тепловым насосом для нагрева шахтных вод, полученных по первому варианту до кондиционных показателей и теплопотребление г. Новогродовка. Коэффициент преобразования теплового насоса принимался в соответствие с разностью температур эксплуатируемых теплоносителей равным трем.

Рис. 6. Производительность теплового модуля на территории поля шахты „Новогродовская 2” в отопительный период: 1 – тепловой поток необходимый для обогрева города Новогродовка; 2, 3 – соответственно количество тепловой энергии вырабатываемое модулем по второму и первому технологическому варианту; 4 – эквивалент мощности, необходимой для нагрева шахтных вод

используемых по первому варианту работы геомодуля в тепловом насосе до кондиционных показателей Анализ рис. 6 показывает, что тепловой ресурс, вырабатываемый геомодулем по второму

варианту, практически полностью покрывает тепловые потребности, возникающие во время отопительного периода в г. Новогродовка. Это дает основание рассматривать данную технологическую схему как наиболее перспективную для использования ресурса затопленной шахты „Новогродовская 2”. В случае работы геомодуля по первому варианту получаемый тепловой поток не превысит 150 ГДж/сут, что создаст дефицит теплоснабжения около 450 ГДж/сут. Эффективность первой технологической схемы может быть повышена путем отопления сооружений по системе "теплый пол" или дополнительного нагрева шахтных вод тепловыми насосами. При этом затраты энергии на подогрев теплоносителей до кондиционных показателей в насосах в среднем составят 130-160 ГДж/сут, что втрое меньше возникающего дефицита теплоснабжения.

Выводы

Моделированием теплопроводности рассчитана температура и естественный тепловой потенциал подземных вод, содержащихся в затопленных выработках шахты „Новогродовская 2”. Показано, что результаты расчетов хорошо согласуются с фактическими данными, а общее количество тепловой энергии, аккумулированной шахтными водами, в среднем составляет 1300 ТДж. Для эффективного использования низкопотенциального тепла шахтных вод обоснованы два технологических варианта работы геомодуля. Первый связан с освоением естественного теплового ресурса шахты. Второй – с его дополнительной активизацией за счет подземного сжигания остаточных запасов угля.

Моделирование теплопереноса при использовании шахтных вод в качестве теплоносителей, выполненное с учетом изменения интенсивности теплового потока поступающего из реакционного канала в затопленные горные выработки, позволило установить,


96

что тепловая энергия, вырабатываемая геомодулем, может полностью покрыть тепловые потребности города с населением 15 тыс. жителей в течение отопительного периода. Использование естественных тепловых ресурсов шахтных вод для отопления зданий без подземного сжигания угольных пластов возможно путем устройства обогрева сооружений по системе "теплый пол" или их дополнительного нагрева в тепловых насосах.


1. Угольная промышленность Украины: факты, цифры, перспективы [Электронный ресурс]: Еженедельник 2000. – 27.05.2010. Режим доступа: http://2000.net.ua/2000/derzhava/ekonomika/66995. – Название с экрана.

2. Садовенко И.А. Моделирование процесса затопления шахты «Новгородовская 2» для оценки возможности использования ее теплового ресурса / И.А. Садовенко, А.В. Инкин, Д.В. Рудаков, Ю.В. Хрипливец // Известия УГГУ.– 2014. – Вип. 1 (33). – С. 31-38.

3. Лялько В.И. Тепло- и массоперенос в подземных водах юго-запада русской платформы и сопредельных регионов: автореф. дис. на соиск. учен. степени докт. геол.-мин. наук: спец. 04.125 "Гидрогеология" / Лялько Вадим Иванович; Инст. геол. наук АН УССР. – К., 1971. – 70 с.

4. Гончаров С.А. Термодинамика: Учебник / Гончаров С.А. – М: Издательство Московского государственного горного университета, 2002. – 440 с.

5. Садовенко И.А. Термогидродинамическая оценка параметров системы подземного аккумулирования тепловой энергии / И.А. Садовенко, А.В. Инкин // Геотехническая механика: Межведомственный сборник научных трудов [Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины]. – Днепропетровск 2012. – Вып. 104. – С. 110-119.

6. Садовенко И.А. Численное исследование особенностей теплового поля вокруг подземного газогенератора / И.А. Садовенко, Д.В. Рудаков, А.В. Инкин // Збірник наукових праць НГУ.– 2012. – № 39 – С. 11-20.

7. Садовенко И.А. Миграция и теплоперенос вокруг подземного газогенератора / И.А. Садовенко, А.В. Инкин, С.В. Жолудев. – Днепропетровск: "Грани", 2012. – 282 с.

8. Садовенко И.А. Моделирование теплопереноса в водоносном горизонте при аккумуляции и отборе тепловой энергии / И.А. Садовенко, Д.В. Рудаков, А.В. Инкин // Науковий вісник НГУ. – 2012. – № 1. – С. 40-45.

9. Садовенко И.А. Оценка эффективности теплового модуля на основе ресурсного потенциала затопленной шахты / И.А. Садовенко, А.В. Инкин // Вісник Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського – 2013. – Вип. 3/2013 (80). – С. 123-127.


І. А. Садовенко, А. В. Інкін, Д. В. Рудаков, Ю. В. Хрипливец

ДВНЗ «Національний гірничий університет», Дніпропетровськ, Україна

Моделювання роботи теплового модуля в умовах ліквідовуваної шахти

На основі розробленої геофільтраційній моделі шахти "Новогродівська 2" розрахована температура і теплова енергія підземних вод в затоплених гірничих виробках. Встановлена можливість активізації їх теплового ресурсу за допомогою підземного спалювання залишкових запасів вугілля зосереджених в некондиційних і малопотужних пластах. Результати розрахунків показують, що кількість теплової енергії яка виробляється термомодулем, розташованим на території шахти може повністю покрити теплові потреби суміжного міста впродовж опалювального періоду.

Ключові слова: затоплена шахта, спалювання вугілля, підземні води, теплова енергія.

I. Sadovenko, O. Inkin, D.Rudakov, Yu. Hriplivets

National Mining University, Dnipropetrovsk, Ukraine

Design of the work of a thermal module in the conditions of a liquidated mine

Based on the developed geofiltrational model of mine "Novogrodovskaya 2" we calculated temperature and heat of groundwater in flooded mine workings. A possibility to enhance their thermal resource using underground combustion of residual coal reserves in sub-standard and thin beds is considered. The results of the calculations showed that the amount of thermal energy generated by thermal modules located in the territory of the mine can completely cover the caloric needs of the nearby city during the heating season.

Keywords: flooded mine, coal combustion, underground water, thermal energy.

ISSN 2073-9575. Наукові праці ДонНТУ. Серія «Гірничо-геологічна». Вип. 1(20)'2014. С. 97-103

97

УДК 658.012.23

В. В. Назимко, О. С. Янжула, Л. М. Захарова Донецький національний технічний університет, Донецьк, Україна

Обґрунтування необхідності оперативного управління проектом розвідки малоамплітудної

порушеності виїмкових стовпів

Виконано аналіз негативних наслідків переходу малоамплітудного порушення довгим очисним вибоєм. Проаналізовані переваги і недоліки існуючих технологій переходу малоамплітудного порушення. Досліджені причини переходу малоамплітудних порушень без прогнозу і розвідки їх параметрів і обґрунтована необхідність оперативного управління проектом розвідки малоамплітудної порушеності виїмкових стовпів.

Ключові слова: малоамплітудна порушеність, вуглевидобуток, стовпова система розробки, методи розвідки.

Вступ

Енергетична безпека нашої держави може бути гарантована на декілька століть завдяки власним запасам кам’яного вугілля. Проте третина усіх достовірно розвіданих запасів інтенсивно пошкоджена геологічними порушеннями. Для вугільних родовищ характерною особливістю є те, що переважна більшість диз’юнктивних порушень має малу амплітуду, яка не перевищує 1,5–3 м. Такі порушення неможливо встановити шляхом аналізу стратиграфічних колонок, отриманих за допомогою буріння розвідувальних свердловин. Тому у процесі відпрацювання виїмкових стовпів виникає високий ризик непередбаченої зустрічі очисним вибоєм малоамплітудного порушення (МАП). Це призводить до багатьох масштабних негативних наслідків. Саме тому виникає гостра необхідність додаткової розвідки малоамплітудної порушеності з підготовчих виробок під час виїмки вугілля. Проте незважаючи на велику кількість різноманітних способів і технологій розвідки, виробничники продовжують відпрацьовувати виїмкові стовпи практично всліпу, не використовуючи засобі додаткової розвідки. Таким чином метою даної статті є встановлення причин, згідно яким практики нехтують розвідкою малоамплітудних порушень незважаючи на великі збитки, що супроводжують виїмку запасів всліпу.

1. Аналіз типового випадку переходу малоамплітудних порушень довгими очисними вибоями без додаткової розвідки

Типовий випадок переходу малоамплітудних порушень довгими очисними вибоями без додаткової розвідки проілюструємо на прикладі відпрацювання запасів у межах поля шахтоуправління Покровське, яке відпрацьовує родовище, що інтенсивно пошкоджене малоамплітудними порушеннями.

Шахтоуправління розробляє вугільний пласт потужністю 1,5–1,8 м (рис. 1). У південній частині крила запаси відпрацьовували стовпами по повстанню, причому на період 2006 досвід відробки пласта такою технологією був суттєво позитивний. Так посування 6-ї південної лави становило 150–200 м на місяць, а місячний видобуток сягав 80 млн. тонн товарного вугілля. Чистий місячний прибуток від реалізації видобутку коливався у межах 40–50 млн. гривень. Це давало змогу не тільки фінансувати поточні витрати на вуглевидобуток, але й накопичувати резерви на придбання продуктивного сучасного гірничого обладнання для оновлення основних фондів, зокрема очисних комбайнів і механізованих комплексів.

Стовпи 7-ї і 8-ї лав готувалися поруч з відпрацьованим простором 6-ї лави. Після оконтурення виїмкових стовпів підготовчі роботи не виявили суттєвого погіршення геологічних умов. Лише у чотирьох місцях на бортових підготовчих виробках були виявлені локальні порушення пласта 1–4, у вигляді його заміщення міцним пісковиком (рис. 1). Довжина інтервалів, на яких були виявлені порушення коливались у межах 1–5 м, а амплітуда заміщення пласта не перевищувала 0,7 м. © В. В. Назимко, О. С. Янжула, Л. М. Захарова , 2014


98

6-та південна лава

7-а південна лава

8-а південна лава 4

1

2

3

5

7

6

Рис. 1. Фрагмент плану гірничих виробок

Досвід відпрацювання пласта свідчив про те, що перехід таких локальних порушень

практично не впливає на темпи посування очисного вибою. Отже видобуток з 7-ї та 8-ї лав планувався на тому ж рівні, який був отриманий під час відпрацювання 6-ї південної лави. Відповідно планувався прибуток, а також майбутні витрати для забезпечення ритмічної роботи виїмкових дільниць.

Першою відпрацювали 8 південну лаву. Динаміка відходу 8-ї лави від монтажної камери була такою ж як і під час стартового періоду роботи 6-ї лави. Так у лютому темпи посування лави збільшились до 95 м/міс. Експлуатаційники очікували подальшого неухильного збільшення темпів посування, як це має бути згідно з технологією відпрацювання стовпів довгими очисними вибоями. Проте у березні місяці посування знизилось до 40 м. Причиною падіння темпів посування 8-ї лави стало порушення 3, амплітуда якого почала неухильно зростати до 1 м і вище. Заміщення вугільного пласта міцним пісковиком стало заважати нормальній роботі очисного вибою.

По-перше міцність пісковику у 5–7 разів вище ніж міцність вугілля і вугільний комбайн не може руйнувати таку міцну породу. Тому для руйнування та видалення пісковику необхідно застосовувати буро-підривні роботи. Такі операції не тільки затримують нормальну роботу очисного вибою, але й пошкоджують стояки гідравлічного механізованого кріплення. Це у свою чергу призводить до протікання ущільнень у гідроциліндрах механізованих секцій, та зменшує їх опір гірському тиску. Такий ефект негативно впливає на стійкість безпосередньої покрівлі пласта, особливо на спряженні бортової підготовчої виробки та лави. Виникають вивали покрівлі, затримується пересування комплексу, збільшується небезпека робіт, тому що необхідно ліквідувати вивали та закладати вручну порожнини, що створюються у результаті вивалів. Додатково підвищується зношення скребкового конвеєру, та ймовірність розриву тягових ланцюгів. Це у підсумку суттєво зменшує надійність роботи усього механізованого комплексу.

Як бачимо на фрагменті плану гірничих робіт (рис. 1), темпи посування 8-ї лави на ділянці малоамплітудного порушення неухильно зменшувались. У результаті протягом п’яти місяців


99

видобуток впав до 5–15 т/міс і не перевищував 10 % від планового рівня. За таких умов робота 8-ї лави стала нерентабельною і більш того, збитковою. Найгірше те, що без додаткової інформації важко було спрогнозувати подальшу тенденцію і тому відпрацювання 8-ї південної лави продовжували у надії, що негативна тенденція зміниться на краще. Проте п’ять місяців падіння темпів посування очисного вибою накопичило нові проблеми, що пов’язані з підвищеним зношенням комплексу. Два негативні процеси посилювали один одного: зменшення темпів посування очисного вибою знижувало стійкість покрівлі, що у свою чергу сприяло подальшим затримкам посування лави.

Після зупинки лави порушена ділянка пласта була залишена у вигляді цілика, а також була пройдена нова монтажна камера 5, а сама лава почала працювати лише у червні 2010 року. У подальшому посування лави відповідало плановим показникам з врахуванням зношеності комплексу, яке відбулось саме при невдалій спробі переходу малоамплітудного порушення. Таким чином відпрацювання виїмкового стовпа затрималось практично на рік, що негативно відбилось на економічних показниках підприємства. Негативний ефект дефіциту видобутку з 8-ї лави вдалось перекрити видобутком з інших лав, проте затримка відпрацювання виїмкового стовпа підвищила собівартість продукції на 1,5 % і знизила відповідно прибуток підприємства у цілому.

Аналогічний негативний досвід був отриманий під час переходу малоамплітудного порушення 7-ю південною лавою (рис. 1). Характерно, що причиною затримки посування темпів очисного вибою стали не порушення 1 і 2, які були виявлені під час підготовки виїмкового стовпа. Головним чинником, що сприяв погіршенню умов роботи 7-ї південної лави стало порушення 6, яке непередбачено виникло у середині виїмкового стовпа. Характерно, що у липні вказане порушення було подолано майже повністю. Проте стало очевидним, що подальший перехід порушення буде мати радикально негативні наслідки для лави і залишкову частину порушення було вирішено обійти. Для цього була пройдена додаткова монтажна камера 7, а вибій продовжив роботу на повну довжину тільки після обходу порушення 6. Таким чином випадок, коли очисний вибій затримується на 5–7 місяців і втрачає 80–90 % планового видобутку при переході непередбаченого малоамплітудного порушення є типовим негативним ефектом. Економічні збитки при цьому сягають 150–300 млн. гривень. Такі приклади можна привести для шахт Південного, Західного Донбасу і цілої низки шахт східного Донбасу.

2. Аналіз технологій переходу малоамплітудного порушення

Варто зазначити, що практики вкрай рідко застосовують технології розвідки та прогнозування малоамплітудної порушеності. Випадки застосування пластової (тобто двовимірної) сейсморозвідки можна перелічити кількома прикладами протягом останнього десятиріччя. Інші технології застосовують ще рідше, а тривимірну сейсморозвідку на вугільних пластах як вітчизняних, так і зарубіжних шахт майже зовсім не застосовували.

У межах вітчизняної вугільної промисловості налічується від 15 до 30 діючих шахт, які регулярно зіштовхуються з аналогічними негативними наслідками, пов’язаними з переходом непередбачених малоамплітудних порушень. Це вказує на актуальність застосування прогнозу малоамплітудної порушеності. Проте перш за все виникає питання: що є причиною відсутності широкої практики застосування технологій прогнозування та розвідки малоамплітудної порушеності вугільних пластів. Отже існує ряд технологій, які можна використовувати для розвідки, та уточнення положень і параметрів малоамплітудних порушень [1–9].

Найбільш поширені технології прогнозу малоамплітудної порушеності вугільних пластів базуються на узагальненні тенденцій варіації фізичних та геологічних параметрів пластів та вміщуючих порід [2, 3]. Встановлено, що у зонах малоамплітудної порушеності підвищується тріщинуватість масиву, збільшується інтенсивність газовиділення, напруження масиву, його акустична емісія. На основі узагальнення тенденцій варіації вказаних параметрів будуються карти, або цифрові моделі пласта, на базі яких виконують прогноз зон малоамплітудних порушень.

Відомі технології, які основані на дослідженні варіації рельєфу вугільного пласта [4]. Використовують два показника: варіацію кута падіння та кривизну поверхні пласта. Чим більше значення вказаних показників, тим вище ймовірність зустрічі малоамплітудного порушення.

Розроблені технології прогнозування малоамплітудної порушеності на основі штучного інтелекту [5]. Моделі тренують на відпрацьованих ділянках пласта, де малоамплітудні порушення


100

встановлені абсолютно достовірно. Потім ці моделі використовують для прогнозування порушень поблизу відпрацьованого простору.

Є технології, які відновлюють поля геотектонічних напружень, на стику яких прогнозують малоамплітудні порушення [6, 7].

Перелічені технології характеризуються низькою вартістю (у межах 50–300 тис. гривень на одну ділянку) та невисокою достовірністю результатів прогнозу, що не перевищує 70 %.

Основною і найбільш надійною вважається технологія прогнозування зон малоамплітудної порушеності на основі шахтної сейсморозвідки [1, 8]. Вартість таких технологій становить від 100 тис. євро на один кілометр довжини виїмкового стовпа (для двовимірної томографії пласта). Тривимірна сейсморозвідка коштує у кілька разів дорожче. Фірми розробники таких технологій декларують високу достовірність результатів прогнозування зон порушеності (до 85 %), хоча практики дають більш песимістичну оцінку (60–70 %). Це цілком природно, тому що томографія масиву розвинута на нафтових родовищах. Структура ж вугільних родовищ складніша ніж нафтових з цілої низки причин. Так вугільні родовища мають виражену анізотропію, а також набагато більшу варіацію властивостей масиву у зонах підвищеної тріщинуватості, яка пов’язана з малоамплітудною порушеністю.

Практичний досвід свідчить про те, що достовірність усіх відомих технологій прогнозування або розвідки положень зон малоамплітудних порушень є невисокою. Проте є вагомі аргументи, які дозволяють вважати шахтну геофізику найбільш достовірним інструментом інформації, яка дозволяє уникнути втрат і негативних наслідків переходу МАП всліпу.

Очевидно, що найбільш перспективним напрямком розвитку технологій розвідки та прогнозування малоамплітудної порушеності є комплексування окремих методів та технологій. Таким чином дублювання методів згідно теорії ймовірності повинно підвищити кінцеву достовірність результатів розвідки або прогнозу.

Отже існує цілий спектр технологій розвідки та прогнозування зон малоамплітудної порушеності для вугільних родовищ. Тому не можна сказати, що поширена практика відпрацювання виїмкових стовпів всліпу обумовлена відсутністю технологій розвідки.

3. Аналіз причин переходу малоамплітудних порушень без прогнозу і розвідки їх параметрів

Аналіз причин малої популярності технологій розвідки та прогнозування зон малоамплітудної порушеності серед практиків вказує, що відсутність інтересу до технологій розвідки та прогнозування зон малоамплітудної порушеності обумовлено не тільки недостатньою надійністю методів (рис. 2).

Вагомими причинами виявилися психологічні фактори, перш за все стремління до економії будь якою ціною та небажання визнати помилки. Відомий спеціаліст з ризиків Хаббард Д. неодноразово наголошує на тому, що навіть відомі бізнесмени готові зекономити кілька десятків тисяч на прогнозуванні ризику незважаючи на те, що у разі, коли ризик трапиться, будуть втрачені мільйони [10]. Такий парадокс обумовлений глибоко закладеною рисою людської психіки і з нею треба рахуватись. Ця риса проявляється в умовах сильної невизначеності середовища.

Небажання визнати помилки або невдачі є природною рисою людини і з ним теж треба рахуватись. У даному випадку мова йде про те, що перехід зони малоамплітудного порушення може бути вдалим, а може й закінчитись масштабними втратами, які проаналізовані вище на конкретних прикладах.

Робота виїмкової дільниці здійснюється під керівництвом конкретних керівників: начальника дільниці та його заступників, головного інженера вугільної шахти, та директора. Всі вони у тій чи іншій мірі відповідають за успішну роботу шахти та її підрозділів (у першу чергу виїмкових дільниць). Незважаючи на те, що процес переходу малоамплітудного порушення навіть за умов детальної розвідки є ризиковим, а успіх чи ступінь невдач у процесі переходу є об’єктивно випадковою подією, психологічно, керівники, як нормальні люди, не бажають ризикувати своєю кар’єрою і афішувати негативні наслідки переходу у випадку їх виникнення. До того ж навіть у разі успішного переходу МАП експлуатаційники схильні замовчувати сам факт несподіваного виникнення цього МАП, бо вище керівництво все рівно може покарати за те, що не змогли його передбачити.


101

Причини відпрацювання виїмкових стовпів всліпу

Низька надійність методів розвідки і прогнозу МАП

Недовіра експлуатаційників до методів розвідки і прогнозу МАП

Невизначеність середовища, породжена його

нестаціонарною природою

Психологічна схильність віддати перевагу економії на витратах на розвідку сьогодні ніж отримати невизначені збитки в

майбутньому

Хронічний дефіцит об’єктивної інформації про втрати і негативні наслідки переходу МАП всліпу

Природний острах

керівництва розголошувати інформацію про втрати і негативні наслідки

переходу МАП всліпу

Висока ймовірність не отримати кредити

Відсутність методики оцінки негативних наслідків переходу МАП всліпу

Рис. 2. Взаємний зв'язок причин відпрацювання виїмкових стовпів всліпу Було встановлено ще ряд важливих факторів, котрі сприяють замовчуванню негативних

наслідків переходу зони малоамплітудного порушення всліпу. Ці фактори пов’язані з острахом не отримати кредити на підготовку та відпрацювання виїмкового стовпа. На сьогодні майже усі вугільні шахти працюють на умовах кредитування, яке вони отримують від банків, або держави. Залученню кредитів передує детальне обґрунтування проекту відпрацювання тих чи інших запасів. У осіб, які приймають рішення про видачу кредиту також виникає природний острах якщо у бізнес-плані буде відкрито вказано на ризик виникнення малоамплітудного порушення і можливі негативні наслідки переходу цього порушення. Тому під час підготовки геологічного обґрунтування геологи схильні зображати більш оптимістично умови відпрацювання ділянки, під яку планують взяти кредити.

Об’єктивно застосування технологій розвідки та прогнозування малоамплітудної порушеності стримується також відсутністю методів оцінки наслідків переходу малоамплітудної порушеності. Навіть якщо параметри малоамплітудного порушення та його координати будуть спрогнозовані або уточнені з великою достовірністю, на сьогодні немає методик оцінки негативних наслідків переходу такого порушення очисним вибоєм.

При спробах перейти порушення у будь яку ціну практики отримують абсолютно достовірну інформацію про положення і параметри порушення. Якщо їх попереджали про те, що порушення є неперехідним, і цей прогноз справдився у реальності, експлуатаційники будуть жалкувати, що вони не довірилися прогнозу. Неможливість наявно переконатись у тому, що прогноз координат і параметрів МАП був достовірним у випадку коли згідно рекомендаціям геофізиків порушення обминули є ще одним фактором, який стримує широке застосування нових технологій. У випадку обходу порушення втрачаються значні підготовлені запаси вугілля, виконуються додаткові роботи по нарізці монтажної камери й перемонтажу очисного обладнання, зупиняються очисні роботи. Це є додатковим негативним навантаженням на економіку вугільної шахти й у експлуатаційників природно виникатимуть сумніви, чи правильно прийнято рішення про обхід порушення.

Суттєву роль у замовчуванні проблеми переходу малоамплітудних порушень відіграє також відсутність інформації для широкого кола спеціалістів про наслідки переходу всліпу.

Отже аналіз показує, що масштабні втрати, обумовлені переходом зон малоамплітудної порушеності вугільних пластів є наслідком цілої низки причин і факторів, які набагато ширше відсутності чи низької достовірності технологій розвідки та прогнозування зон малоамплітудної порушеності. Ці причини мають не тільки і не стільки технічний характер, а криються у підвалинах людської психології, економіки, організації та управління.


102

4. Обґрунтування необхідності залучення технології оперативного управління проектами

У даній роботі пропонується вирішувати проблему нейтралізації ризиків і негативних наслідків відпрацювання вугільних запасів у зонах малоамплітудної порушеності методами управління проектами. Варто зазначити, що робота вугільної шахти є типовою операційною діяльністю, оскільки будь яка шахта проектується на постійний видобуток фіксованої планової кількості вугілля на добу, місяць, рік. Видобуток має бути ритмічним, незважаючи на вихідні та святкові дні, тому що вугільна шахта є об’єктом підвищеної небезпеки і її робота не може бути зупинена навіть на добу.

Проте варто зазначити, що загальний видобуток вугільної шахти складається з видобутку окремих виїмкових дільниць. На сучасній українській вугільній шахті одночасно працює 5-10 виїмкових дільниць. Чим більше дільниць, тим легше забезпечити ритмічний видобуток всієї шахти, тому що випадкові зупинки окремих дільниць компенсуються видобутком вугілля з решти дільниць, які продовжують працювати. Окрім того, на кожній вугільній шахти повинні бути так звані резервні дільниці, які включаються в роботу на повну потужність у моменти непередбаченої зупинки основних дільниць.

Аналіз свідчить про те, що робота окремої дільниці має усі ознаки проекту. По-перше відпрацювання кожної дільниці має початок і кінець і керується загальною ціллю. По-друге умови відпрацювання будь якої виїмкової дільниці є унікальними, що відображається у індивідуальному проекті відпрацювання. Унікальність обумовлена перш за все неповторністю геологічних умов розробки. По-третє робота виїмкової дільниці підлягає постійному моніторингу, який виконує ціла низка служб (безпеки, вентиляції, дегазації, головного механіка, маркшейдера, геолога, представника відділу контролю якості і ін.). Як наслідок нестаціонарності геологічного середовища, в якому працює дільниця, виникає необхідність періодичного корегування параметрів технології, та організації робіт. Отже проект розвідки малоамплітудної порушеності слушно прив’язати до проекту відпрацювання виїмкової дільниці. Таким чином, початок проекту розвідки узгоджується з початком проекту відпрацювання дільниці, а кінець проекту розвідки співпадає з завершенням відробки виїмкового стовпа, або кількох стовпів.

Висновки

Перехід малоамплітудних порушень без додаткової розвідки їх параметрів призводить до затримки вуглевидобутку у межах 5–12 місяців, значних економічних збитків, що визначаються сотнями мільйонів гривень, а також підвищує небезпеку підземних робіт.

Сьогодні існує широкий спектр методів і технологій прогнозування МАП і їх додаткової розвідки геофізичними методами. Надійність методів і технологій коливається у межах від 60 до 85 %, а діапазон вартості достатньо широкий: від 10 тис. грн. за простий проноз до кількох мільйонів за тривимірну сейсморозвідку.

Слабка заінтересованість у використанні технологій прогнозу і розвідки МАП у практиків пояснюється цілим спектром факторів, серед яких головними є хронічний дефіцит об’єктивної інформації про втрати і негативні наслідки переходу МАП всліпу, висока ймовірність не отримати кредити для відпрацювання пошкоджених малоамплітудними порушеннями запасів, невизначеність геологічного середовища і його нестаціонарна природа, психологічні чинники, що пов’язані з острахом втратити кар’єрне зростання а також схильність віддати перевагу економії на витратах на розвідку сьогодні ніж отримати невизначені збитки в майбутньому, недостатня надійність геофізичних технологій розвідки і висока їх вартість та неможливість перевірити достовірність прогнозу МАП у разі прийняття рішення про його обхід.

Принципове рішення проблеми широкого застосування технологій прогнозу і розвідки МАП під час вуглевидобутку може бути досягнуто лише на основі застосування проектно-орієнтованого підходу. При цьому проект прогнозу і розвідки МАП прив’язується до проекту відпрацювання виїмкового стовпа а управління проектом здійснюється оперативно в умовах параметричної і структурної невизначеності геологічного і організаційного середовища.


103

Бібліографічний список

1. Анциферов А.В. Теория и практика шахтной сейсморазведки/А.В.Анциферов - Донецк: ООО «Алан», 2003. – 312с.

2. Лукинов В. В. Тектоника метаноугольных месторождений Донбасса / В. В. Лукинов, Л. И. Пимоненко. – К.: Наук. думка, 2008. – 352с.

3. Прогнозный каталог шахтопластов Донецкого угольного бассейна с характеристикой горно-геологических факторов и явлений. – М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1982. – 267 с.

4. Пилюгин В.И. Определение деформаций горного массива при формировании геологического рельефа угольного пласта в пределах шахтного поля/В.И.Пилюгин // Вісті Донецького гірничого інституту. – Донецьк: ДонНТУ.- 2003. - № 2, - С.99-106.

5. Назимко В.В. Прогноз мелкоамплитудных разрывных нарушений угольных пластов с помощью нейронных сетей и генетических алгоритмов/В.В.Назимко, А.В. Мерзликін, В.С. Захаров // Геотехнологии на рубеже XXI века. т.II – Донецк, ДонНТУ, 2001.-С.134-140.

6. Тектонический стрес-мониторинг и поля напряжений Причерноморского региона/ О.И. Губенко, Н.Ю., Гущенко, О.А. Мострюков и др. // Наук. праці ДонНТУ. Сер. гірничо-геологічна. – Донецьк, 2001. –Вип. 32. –С.104–117.

7. Корчемагин В. А. К методике выделения и реконструкции наложенных тектонических полей напряжений/ В.А.Корчемагин, В.С.Емец // ДАН СССР.1982. Т.263.– № 1. С.163–168..

8. Neil D. M. / Vision3dтм seismic tomographyapplications in bump-prone coal mines / D. M. Neil, K. Hanna, J. M. Descour // Mine Planning and Equipment Selection 1999 &Mine Environmental and Economical Issues –Dnipripetrovsk, NMUU of Ukraine 1999. - Рp.509-520.

9. Вопросы подповерхностной радиолокации. Коллективная монография / Под ред. Гринева А. Ю. — М.: Радиотехника, 2005.-416 с.: ил.

10. Hubbard, D. W. How to Measure Anything: Finding the Value of “Intangibles” in Business. Second Edition / D. W. Hubbard // John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey. – 2010. – 323 р.

Надійшла до редколегії 20.08.14

В. В. Назимко, А. С. Янжула, Л. Н. Захарова

Донецкий национальный технический университет, Донецк, Украина

Обоснование необходимости оперативного управления проектом разведки малоамплидудной нарушенности выемочных столбов

Выполнен анализ негативных последствий перехода малоамплитудного нарушения длинным очистным забоем. Проанализированы преимущества и недостатки существующих технологий перехода малоамплитудного нарушения. Исследованы причины перехода малоамплитудных нарушений без прогноза и разведки их параметров и обоснована необходимость оперативного управления проектом разведки малоамплитудной нарушенности выемочных столбов.

Ключевые слова: малоамплитудная нарушенность, угледобыча, столбовая система разработки, методы разведки

V. V. Nazimko, O. S. Yanzhula, L. M. Zacharova

Donetsk national technical university, Donetsk, Ukraine

Necessity to apply the project management technology that will improve technology of the microfault transition

We fulfilled analysis of negative consequences due to microfault transition with a longwall. Advantages and negative effects have been examined for existent technologies of transition and exploration. We investigated the reasons of the exploration neglecting. There is a persistent deficiency of information concerning losses and damages due to blind transition of the microfauts. High probability to loose the credits and investments, geologic uncertainty and nonstationary nature of the microfaults force practitioners to hide real intensity of microfaults. Miners prefer to save small amount of money today rejecting proposals of geologists and geophysicists but neglect high probability to loose millions tomorrow. Another reason of blind transition popularity is a lack of reliability for recent technologies of exploration and absence of possibility to check and validate the results of the exploration. We proved the necessity to apply the project management technology that will improve technology of the microfault transition.


104

УДК 622.235:622.281.4

Л. И. Гречихин1, Н. Р. Шевцов2, И. В. Купенко2, Н. Г. Куць3 1Минский государственный высший авиационный колледж, г. Минск, Беларусь;

2Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, Украина; 3Луцкий национальный технический университет, г. Луцк, Украина

Физика горения и взрыва метановоздушной смеси и угольной пыли

Показано, что в атмосфере Земли при низких температурах в ночных условиях, молекулы кислорода в большом количестве пребывают в виде кластеров. Попадая в шахту, они адсорбируются в виде пленки на угольной пыли. Это может привести к самовоспламенению и к взрыву метановоздушной смеси.

Ключевые слова: горение, взрыв, метановоздушная смесь, угольная пыль, взрывозащита

Введение. Добыча угля в шахтах сопряжена с опасностью вспышки и взрыва метановоздушной смеси и угольной пыли в процессе ведения горных работ [1,2]. Подробный анализ условий возникновения горения и взрыва показал, что крупные взрывы-катастрофы происходят в межсезонье и в зимние месяцы [1]. В летние месяцы особо опасных взрывов, как правило, не наблюдается. Полагают, что это обусловлено изменением парциального давления кислорода в атмосфере Земли. Так в течение года содержание кислорода в атмосфере изменяется от 18,9% в летние месяцы до 21,1% – зимой. Качественно причина вполне понятная. Однако почему происходит такое изменение парциального давления кислорода в атмосфере Земли остается не вполне ясным. Что при этом происходит с атмосферой, каково ее состояние и почему при этом взрывы-катастрофы в угольных шахтах возникают преимущественно в мешсезонье и зимой, тогда как парциальное давление кислорода изменяется не существенно. В связи с этим возникает цель: выяснить, в чем причина изменения состава атмосферы в различные времена года и как такое изменение может повлиять на условия изменения воспламенения метановоздушной смеси и угольной пыли в угольных шахтах. Цель может быть достигнута путем решения следующих задач:

– рассмотреть динамику формирования двухатомных и моногоатомных молекул в атмосфере Земли;

– разработать механизм взаимодействия горючих газов с молекулами атмосферы Земли; – определить, какие процессы адсорбции и десорбции происходят на поверхности углеродных частиц;

– определить условия, при которых может происходить воспламенение метановоздушной смеси и угольной пыли.

Формирование многоатомных молекул кислорода и азота в атмосфере Земли

Атмосфера Земли состоит в основном из молекул азота и кислорода. Молекулы кислорода и азота взаимодействуют между собой и друг с другом. Максимальная энергия бинарного взаимодействия реализуется, когда расположение этих молекул друг относительно друга будет такое, которое приведено на рис. 1. При таком расположении двухатомных молекул результирующая энергия связи (Eсв) равна сумме ковалентной (Eков), ионной (Eион), электрон-дипольной (Eе-д) и диполь-дипольной (Eд-д):

дддеионковсв EEEEE ... . (1)

Конкретный расчет всех видов взаимодействий, выполненный по методике, разработанной в [3], приведен в табл. 1.

© Л. И. Гречихин, Н. Р. Шевцов, И. В. Купенко, Н. Г. Куць, 2014


105

Так как энергия связи между двухатомными молекулами в воздухе достаточно большая, то получается, что в воздухе, как азот, так и кислород должны пребывать в виде кластерных образований, состоящих из 13 молекул (см. рис. 1).

Табл. 1. Энергия связи и ковалентные радиусы взаимодействующих молекул

Радиусы атомов, Å Энергия связи, эВ Молекулы rков.,1 rков.,2 Eков Eион Ее-д Ед -д

Результирующая, эВ

N2 – N2 0,71 0,71 0,762 0,458 - 0,0067 1,227 O2 – O2 0,66 0,66 0,799 0,468 - 0,039 1,306 N2 – O2 0,71 0,66 1,092 0,423 - 0,037 1,552

Рис. 1. Структура кластера из двухатомных молекул в горизонтальной плоскости Такие кластеры в воздухе должны формироваться преимущественно в зоне тени, т.е.

ночью, а днем под действием солнечного света они распадаются на отдельные молекулы, вследствие поглощения оптического излучения начиная с ближнего инфракрасного диапазона. В шахтах и в пещерах воздух должен быть совершенно другой. Он достаточно насыщен кластерами двухатомных молекул.

При низких температурах воздуха, т.е. зимой, кластеры двухатомных молекул более устойчивые и их концентрация в воздухе возрастает. Попадая в шахту, такие кластеры не распадаются из-за отсутствия солнечного света. Адсорбируясь на стенках, они создают жидкую пленку кислорода. Когда адсорбция происходит на угольной пыли, то частица угольной пыли обволакивается жидкой пленкой кислорода, а сталкиваясь с молекулами горючих газов происходит химическая адсорбция молекул кислорода с выделением тепла, т.е. реализуется процесс горения в жидком кислороде. Чтобы выяснить, как происходит этот процесс горения на молекулах горючих газов, а конкретно на молекулах метана, рассмотрим строение молекулы метана.

Образование многоатомных молекул горючих газов и воды

В учебнике [4] подробно описано строение молекулы метана СН4. Полагают, что молекулу метана можно описать тетраэдрической моделью. Кроме этого, полагают, что ряды однотипных соединений этана (С2Н6), пропана (С3Н8), бутана (С4Н10), пентана (С5Н12) и т.д. являются гомологическим рядом и отличаются друг от друга группой СН2, которая представляет собой устойчивую трехатомную молекулу. В этой молекуле атом углерода взаимодействует с молекулой водорода. Очевидно, что в молекуле метана атом углерода взаимодействует с двумя молекулами водорода и образуется также устойчивая пятиатомная молекула. Молекула этана образуется в результате взаимодействия простейшей молекулы СН2 с простейшей молекулой метана, а дальнейшее наращивание гомологического ряда происходит путем взаимодействия предыдущей молекулы в этом ряде с молекулой СН2. В результате образуется гомологический ряд метана.

Если рассматривать образование молекулы СН2 как бинарное взаимодействие атома углерода с молекулой водорода, то представляется возможность произвести расчет энергий бинарной связи С–Н2. Исходные данные для этих частиц приведены в табл. 2.


106

Структура молекулы СН2 показана на рис. 2. Энергия разрыва связи С–Н2 определяется ковалентной и ионной связью, которые составляют 3,97 эВ. Вероятность пребывания валентного электрона вблизи атома углерода Р1 = 0,454, а вблизи молекулы водорода Р2 = 0,107. Вероятность обмена валентными электронами между атомом углерода и молекулой водорода S = 0,372. Энергия ионизации равна:

22

)1()1( 21 HCCH SPSP = 10,395 эВ. (2)

Ее экспериментальное значение равно 10,396 эВ [5]. Отличие незначительное, что свидетельствует о правильности выбранной модели.

Табл. 2. Энергия ионизации (эВ), радиусы валентных электронов (Å) и эффективные заряды

Энергия ионизации Радиусы электронов Эффективный заряд Атом, молекул

а Θ1 Θ2 Θ3 r1 r2 r3

1Z 2Z

3Z

re, Å

C 11,26 24,4 47,9 0,989 0,778 0,725 0,773 1,316 2,421 - О 13,62 35,1 54,9 0,651 0,571 0,540 0,615 1,390 2,056 - H2 15,426 48,11 - 0,714 0,529 - 0,765 1,765 - 0,741 О2 12,08 37,02 - 0,952 0,700 - 0,797 1,797 - 1,207 N2 15,58 41,19 - 1,021 0,736 - 1,103 2,103 - 1,098 C2 11,9 37,5 - 0,925 0,678 - 0,763 1,763 - 1,242 СН2 10,396 31,46 60,5 1,270 0,878 0,695 0,916 1,916 2,916 Н2О 12,614 43,06 91,54 1,226 0,694 0,484 1,072 2,072 3,072 СН4 11,81 34,39 68,27 1,35 0,883 0,656 1,106 2,106 3,106

Следовательно, по основным энергетическим параметрам

разработанная модель анализа бинарного взаимодействия атома углерода с двухатомной молекулой водорода является достаточно приемлемой. Угол между связями углерод-водород определен для молекулы метана и полагают, что он составляет 109028', т.е. молекула метана образует тетраэдр. В случае молекулы СН2, предполагая угол между связями 109028', получаем, что межъядерное расстояние в молекуле водорода в составе СН2 возрастает с 0,741 Å до ≈ 1,8 Å. Это происходит вследствие расталкивания ядер атомов водорода в молекуле водорода, так как

энергия ковалентной связи ослабевает вследствие обобщения одного валентного электрона молекулы водорода с образованием общей электронной оболочки молекулы СН2. Получается, что при образовании молекулы СН2 деформация электронного облака молекулы водорода весьма существенная.

Атом углерода в молекуле СН2 с вероятностью Р1 = 0,454 пребывает в виде отрицательного иона. Учитывая это обстоятельство, встроенный дипольный электрический момент для атома углерода должен возрастать на величину деформации электронных оболочек

rePP CЭ 1, ,

где Δr = HC rr – деформация электронной оболочки в

атоме углерода за вычетом зеркального взаимодействия иона атома водорода (rC и rH – соответственно ковалентный радиус атома углерода и водорода).

РЭ

Рис. 2. Структура молекулы CH2

Рис.3. Строение молекулы метана

С

Н

Н

Н Н


107

Результирующий встроенный дипольный электрический момент молекулы СН2:

СЭСЭСНЭ рpp ,,, 2 = (3,851 + 1,81)·10-30 = 5,66 ·10-30 Кл·м. (4)

где рЭ,С – встроенный дипольный электрический момент атома углерода, определенный в [6]. Аналогичная структура, которая реализуется для молекулы СН2, имеет место и для

молекулы воды. Энергия разрыва связи О–Н2 равна 4,99 эВ. Экспериментальное ее значение – 5,00 эВ [5]. Вероятность пребывания валентного электрона вблизи атома кислорода Р1 = 0,398, а вблизи молекулы водорода Р2 = 0,137. Вероятность обмена валентными электронами между атомом кислорода и молекулой водорода S = 0,385. Энергия ионизации равна 12,83 эВ. Экспериментальное значение 12,614 эВ. Угол между связями 104,30, что близко к углу тетраэдра 109028'. Такой угол получается вследствие увеличения межъядерного расстояния в молекуле водорода с 0,741 Å до 1,74 Å. Результирующий дипольный электрический момент равен 6,032·10-

30 Кл·м. Экспериментальное значение – 6,167·10-30 Кл·м [7]. Молекула метана образуется вследствие взаимодействия молекулы СН2 с молекулой

водорода. Общий вид молекулы метана показан на рис. 3 (молекулы водорода и метана на рис. 3 обведены пунктирными линиями).

Только ковалентная и ионная связь участвуют в таком взаимодействии и составляют 1,084 эВ. Вероятность пребывания валентного электрона вблизи молекулы СН2 Р1 = 0,414, а вблизи молекулы водорода Р2 = 0,127. Вероятность обмена валентными электронами между атомом кислорода и молекулой водорода S = 0,0865. Энергия ионизации молекулы метана по (2) равна 11,81 эВ. Дипольный электрический момент

4,СНЭp = (5,660 + 2,315)·10-30 = 7,975·10-30 Кл·м.

Радиус шаровой поверхности, которая описывает тетраэдр с квадратным основанием в 1,8 Å с учетом ковалентных радиусов углерода и водорода, равен 1,35 Å.

Взаимодействие молекул воздуха в угольных шахтах происходит не только с горючими газами, но и с угольной пылью. Уголь представляет собой слоистую структуру, которая формируется взаимодействием двухатомных молекул углерода [8]. Энергия связи двухатомных молекул в слое и между слоями приведены в табл. 3 [8].

Табл. 3. Энергия связи двухатомных молекул углерода в слое и между слоями

Энергия связи, эВ Вещество

Eков Eион Ее-д Ед -д

Результи-рующая, Ерез, эВ

Ед – д / Ерез

С2 – С2 в слое -1,209 -0,005 -0,162 -2,496 -1,855 1,346 С2 – С2 между слоями слой

под слоем -0,025 -0,025

-0,022 -0,022

-0,003 -0,003

+0,232 -0,240

+0,182 -0,290

1,275 0,830

Энергия связи двухатомных молекул углерода в графене в основном определяется диполь-

дипольным взаимодействием. Небольшое механическое смещение слоев друг относительно друга приводит к разлету слоев. Поэтому при производстве взрывных работ и при других технологических процессах в угольных шахтах образуется достаточно мелкая углеродная пыль в чешуйчатом виде, т.е. в виде графена.

Зная структуру и величину различных энергий связи, рассмотрим процесс адсорбции на молекулах горючих газов, на угольной пыли и на кластерных образованиях воды молекул воздуха.

Адсорбция молекул воздуха на молекулах горючих газов, на угольной пыли и на водяных каплях

Молекулы азота и кислорода воздуха достаточно интенсивно взаимодействуют друг с другом и с другими молекулами окружающей среды, а также с жидкими и кристаллическими телами. Такое взаимодействие обуславливает явление адсорбции. Различают физическую и химическую адсорбцию. Процесс взаимодействия вначале сопровождается физической, а затем физическая переходит в химической адсорбцию. При адсорбции молекул кислорода выделяется теплота и при этом происходит излучение света инфракрасного и видимого диапазона длин волн. Такой процесс называется горением. Горение происходит как в парогазовой фазе, так и на поверхностях жидких и твердых тел. Скорость протекания процесса горения в парогазовой фазе


108

значительно меньше, чем на жидких и твердых поверхностях. Рассмотрим подробнее процесс физической с переходом в химическую адсорбцю на различных адсорбентах.

На основании данных табл. 1 был произведен расчет бинарного взаимодействия молекул метана с молекулами азота и кислорода с учетом ковалентной, ионной, электрон-дипольной и диполь-дипольной связей. Результаты расчетов приведены в табл. 4.

Табл. 4. Энергия связи бинарного взаимодействия между различными частицами в эВ

Молекула СН2 Метан Уголь Вода Пара- метры О2 N2 Н2 О2 N2 О2 N2 О2 N2

Еков. 0,684 0,545 1,023 1,131 0,534 2,073 1,924 1,200 1,248 Еион. 0,038 0,022 0,061 0,054 0,019 0,140 0,088 0,103 0,076 Ее-д 0,723 0,428 - 0,876 0,553 0,406 0,341 0 0 Ед-д 0,111 0,038 - 0,218 0,080 0,109 0,036 0,219 0,071 Ерез 1,358 1,033 1,084 2,225 1,29 2,728 2,388 1,522 1,396

Из табл. 4 следует, что на молекулах СН2 и метане, а также на угольной пыли и на

поверхности воды молекулы кислорода и азота адсорбируются достаточно эффективно. Когда происходит адсорбция кислорода на метане, то выделяется энергия 2,225 эВ, что значительно превышает энергию связи молекул СН2 и Н2. Поэтому, как только на поверхности метана появляется молекула кислорода, происходит мгновенный переход физической в химическую адсорбцию. Появляются молекулы СН2О2 и Н2 с выделением энергии 2,225 – 1,084 = 1,141 эВ. В свою очередь молекула СН2О2 претерпевает изменение вида

СН2 + О2 ↔ СО + Н2О . (5)

При этом выделяется энергия 222 OHCOHCO DDDDE = 11,09 + 5,0 – 3,97 – 5,12

= 7,0 эВ. Итак, в начальной стадии процесса горения метана в окружающую среду поступают

молекулы водорода, угарного газа и молекулы воды с выделением энергии 785,5 МДж/кмоль. Затем, при наличии в окружающей среде кислорода, молекулы водорода и угарного газа продолжают гореть, формируя фазу догорания. Действительно, спектроскопическими исследованиями горения топливо-воздушной смеси было доказано, что в фазе догорания горят угарный газ и водород [9,10].

На сажевых частицах протекают реакции горения с достаточно большим выделением энергии

С + О2 ↔ 2СО + 331,9 МДж/кмоль. (6)

В начальной стадии горения сажевых частиц в окружающую среду поступают молекулы только угарного газа, а в процессе догорания горит угарный газ. Учитывая это обстоятельство

получается, что молекул угарного газа в горючей смеси должно быть больше, чем молекул водорода. Конкретный анализ состава горючих газов при горении топлива, проведенный в [11], убедительно подтверждает этот вывод.

Адсорбция молекул кислорода на поверхности воды не приводит к горению. Реализуется только физическая адгезия. Молекулы кислорода обладают большей энергией связи по сравнению с азотом. Поэтому при достаточно длительном времени пребывания в атмосфере поверхность воды полностью покроится кислородной пленкой. Расположение молекул кислорода на водной поверхности показано на рис. 4. Количество монослоев молекул кислорода, которые адсорбируются на поверхности воды, в

Рис. 4. Наиболее вероятное расположение молекул кислорода на поверхности воды

Н2О

О2


109

зависимости от температуры получено в работе [12] и показано, что в нормальных условиях количество монослоев кислорода на поверхности воды достигает до четырех. С уменьшением температуры количество монослоев возрастает почти по экспоненте.

Если в атмосфере присутствуют пары воды, то они покрыты жидким слоем кислорода. Особенно это явление должно проявляться на частицах тумана и в пургу на снежных частицах. Попадая в шахту, такие частицы привносят туда огромное количество кислорода. Это неизбежно приводит к воспламенению угольной пыли и метановоздушной смеси.

Воспламенение угольной пыли при химической адсорбции метана

Явление воспламенения используется в двигателях внутреннего сгорания, работающих по циклу Дизеля, а также при взрывах взрывчатых веществ (ВВ). Каким образом происходит взрыв топливо-воздушной смеси (ТВС) в камере сгорания при осуществлении цикла Дизеля подробно описано в работе [13], а взрыв ВВ – в [14]. Взрыв метановоздушной смеси (МВС) совместно с угольной пылью существенно отличается от взрыва ТВС и ВВ. В первом случае взрыв происходит, когда горючая смесь находится в газовой фазе, а во втором случае - в конденсированной фазе. При этом окислитель и горючее перемешаны на молекулярном уровне и спрессованы в твердую фазу.

В угольной шахте угольная пыль и горючий газ метан совместно с воздухом образуют горючую смесь. При этом угольная пыль и молекулы метана с кислородом воздуха взаимодействуют независимо. Максимальное тепловыделение при взаимодействии метана с кислородом воздуха происходит только при определенном соотношении концентраций окислителя и горючего. Известно [14], что это происходит, когда в воздухе находится ≈ 10% молекул СН4. Реально в шахте такая концентрация метана если и возникает, то очень редко. Но даже в этом случае, чтобы произошел взрыв, необходимо внешним воздействием как-то поджечь такую смесь и существенно увеличить концентрацию взаимодействующих частиц путем повышения давления, как это имеет место в цикле Дизеля. Если где-то в горной выработке и возникают условия для взрыва, то такие условия локализуются в сравнительно малом пространстве (в начальной стадии, т. е. в форме вспышки) и не приносят больших разрушений.

В случае угольной пыли при температуре окружающей среды 15…300С, константа химической реакции горения настолько незначительная, что горение угля вообще не должно возникать, а тем более взрыв. Но почему же возникают мощные взрывы в угольных шахтах, и тем более в мешсезонье, а также в зимних условиях (в основном в феврале) следует выяснить.

В шахту поступает воздух, насыщенный частицами воды в жидкой (туман) или твердой (снежинки) фазе, которые окутаны кислородом. Такие частицы адсорбируются на угольной пыли и образуют на ее поверхности кислородную пленку, как это показано на рис. 5. Кстати, известные мощные ВВ оксиливиты, получали путем пропитывания поглотителей (уголь, сажа, мох, торф, опилки и т.п.) жидким кислородом [15]. С их применением был построен Днепрогэс в 30-е годы ХХ столетия. Получается, что молекула метана взаимодействует не с отдельной молекулой кислорода, а с жидкой кислородной пленкой. В этом случае возникает

каталитическое горение. Кинетика реакций горения достаточно проста [11]:

Рис. 5. Наиболее вероятное расположение молекул кислорода на поверхности угольной пыли и

молекул метана на жидком кислороде

СН4

С2

О2


110

KTf nnkdt

dn . (7)

Здесь количество прореагировавших частиц в единице объема за единицу времени dtdn / пропорциональна константе прямой химической реакции kf и произведению nTnK концентрации частиц топлива nT (СН4) и окислителя nK (О2) соответственно.

Константа химической реакции [11]:

)/exp()/2()(2 2/1221 ТkEТkrrk БaБf , (8)

где r1, r2 – ковалентные радиусы взаимодействующих частиц; μ = М1М2/(М1 + М2) – приведенная масса; М1 и М2 - соответственно массы взаимодействующих частиц. Энергия активации для реакции вида АВ + СD ↔ AC + BD [11]

)(29,0 CDABBDACa DDDDE , (9)

где DAB, DCD, DAC и DBD – соответственно энергии диссоциации молекул до протекания реакции DAB и DCD и после ее протекания DAC и DBD.

Для реакции горения метана на жидкой пленке кислорода Еа ≈ 0,331 эВ. Каталитические реакции горения метана на угольной частице протекают не одновременно

на всех частицах. Поэтому возгорание угольных частиц, которые покрыты слоем кислорода, следует рассматривать последовательно в виде протекания цепной реакции, т.е. возгорание метана на одной частице инициирует возгорание близлежащих частиц путем их возбуждения ударной волной, возникающей при микровзрыве на одной из частиц. Такую модель возгорания угольной пыли, покрытой кислородом, при адсорбции на ней молекулы метана рассмотрим ниже.

Угольная пыль формируется двухатомными молекулами углерода, образуя при этом структуру графена, как это показано на рис. 1. Кластер графена содержит 13 молекул. Эффективный радиус такого кластера ≈ 2,86·10-10 м. С учетом протекания реакций (5) и (6) в момент адсорбции молекулы метана на угольной частице выделяется вначале энергия 8,141 эВ, а при догорании еще 9,00 эВ. Мгновенное выделение такой энергии приводит к микровзрыву углеродной частицы. Реализуется точечный взрыв, который создает ударную волну. Скорость образовавшейся сферической ударной волны [11,16,17]

2/3

2/1

..

1

5

2

r

Qv

cвуд

, (10)

где Q – энерговыделение каталитической реакции горения; α' – постоянная, равная 0,851; r – радиус взорвавшейся частицы.

За скачком уплотнения ударной волны термодинамические параметры определяются следующим образом [18]:

.2

11

;2

11

;1

12

2

2

)1/(2

..2

MTT

MPP

vM

v вуд

(11)

где Р∞ и Т∞ - соответственно давление и температура в окружающей среде, М – число Маха; γ – отношение теплоемкостей при постоянном давлении и постоянном объеме.

При рассмотрении процесса воспламенения уравнения (11) применимы только тогда, когда

скорость ударной волны больше скорости звука, т.е. vуд.в. > /Pc . Взрыв происходит в

объеме угольной частицы, на которой находится адсорбированный слой молекул кислорода. Тогда


111

2/31010

2/1

.. )10952,0410925,03(

1

29,1851,0

141,8

5

2 ev вуд 25,8·103 м/с. (12)

Расстояние, на котором скорость ударной волны будет равна скорости звука, составит

3/2

)/(5/2

c

Qrc

=1,2·10-8 м. (13)

В сферическом объеме такого радиуса произойдет возгорание ≈ 18 частиц. После их сгорания дополнительно выделится энергия (318-18)·8,141·1,6·10-19 Дж. Эта энергия точечного взрыва соответствует радиусу 1,2·10-8 м и сформирует ударную волну, которая обладает скоростью 1,4·103 м/с. В соответствии с (13) радиус, на котором скорость такой ударной волны равна скорости звука, равен 3,14·10-8 м, а скорость ударной волны 1,36·103 м/с. Расстояние, на котором скорость ударной волны станет равной скорости звука 1,48·10-7 м. Длина свободного пробега молекул метана при столкновении с частицами угольной пыли ≈ 1,45·10-7 м. Следовательно, на третьем шаге последовательного приближения полностью сформируется самовзрыв угольной пыли, окутанной жидким слоем молекул кислорода, при взаимодействии с молекулами метана. Температура во фронте ударной волны в соответствии с (11) равна ≈ 1300 К. При такой температуре метан с кислородом в газообразном состоянии будет гореть с выделением мощности в единице объема (1 м3) ≈ 1010 Вт, т.е. произойдет взрыв метановоздушной смеси с распространением по сети горных выработок.

Выводы

Предложена новая гипотеза возникновения и развития взрывов газопылевоздушных смесей в уголных шахтах, которая заключается в следующем. За счет вентиляции в уголных шахтах будут иметь место кластерные образования кислорода, азота и азота с кислородом. Это следует учитывать при решении проблемы взрывозащиты уголных шахт, а именно: рудничная атмосфера в межсезонье и в зимние периоды совершенно иная, чем в остальное время года. В это время в шахту нагнетается воздух, насыщенный частицами воды в жидкой (туман) или твердой (снежинки) фазе, которые покрыты жидким слоем кислорода. Попадая в шахту, такие частицы привносят туда огромное количество кислорода в виде кластеров. Они адсорбируются на угольной пыли и образуют на ее поверхности жидкую кислородную пленку.

Это приводит к самовозгоранию угольной пыли, которое инициирует воспламенение метановоздушной смеси с катастрофическими последствиями.

Косвенным подтверждением достоверности данного сценария служит взрыв угольной пыли (без участия метана), который произошел 11.03.2000 г. на шахте им. Н.П. Баракова (г. Краснодон). Шахта разрабатывала угольный пласт с выходом летучих веществ 29,9%, весьма опасный по взрывам пыли. Воспламенение произошло в момент разгереметизации баллона с жидким кислородом в запыленной горной выработке. С позиции предлагаемой гипотезы, причиной взрыва можно считать локальное самовоспламенение угольной пыли, поверхность которой покрылась жидкой кислородной пленкой. Местное горение перешло во взрыв с катастрофическими последствиями.

Из полученных результатов вытекает парадоксальная, на первый взгляд, рекомендация: во время осеннего и весеннего тумана, а также возникновения метели в зимних условиях угольную шахту нельзя проветривать, а, следовательно, нельзя осуществлять добычу угля.

Эту рекомендацию можно в некоторой степени реализовать для законсервированных и закрытых шахт. На действующих угольных шахтах следует в эти периоды усилить контроль над строгим выполнением мероприятий по обеспечению пылевзрывозащиты, в том числе по предотвращению воспламенения отложившейся на поверхности горных выработок взрывчатой угольной пыли.

Работа будет продолжена в направлении получения экспериментального доказательства правомерности кластерного подхода и оценке причин и условий воспламенения пылегазовоздушных смесей в угольных шахтах, а также разработки технических, технологических и организационных мероприятий по недопущению самовоспламенений угольной пыли в шахтах.


112


1. Шевцов Н.Р. Взрывозащита горных выработок: Учебное пособие для вузов. – 2-е изд. перераб. и доп. – Донецк: Норд-Пресс, 2002. – 280 с.

2. Калякин С. А. Развитие научных основ безопасного производства взрывных работ в газоносных массивах угольных шахт. Докторская диссертация, ДонНТУ, 2011 г.

3. Гречихин Л.И., Куць Н.Г. Влияние стационарной и нестационарной теплопроводности на эффективность работы двигателя внутреннего сгорания

4. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. - /Под ред. В.А. Рабиновича. – Л.: Химия, 1983. – 704 с.

5. Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с.

6. Гречихин Л.И., Ю. Шмермбекк. Наноуровень обоснования ОКГ конденсированных сред. – Мн.: «Право и экономика», 2010. – 75 с.

7. Радциг А.А, Смирнов Б.М. Справочник по атомной и молекулярной физике. – М.: Атомиздат, 1980. – 240 с.

8. Гречихин Л.И. Наночастицы и нанотехнологии. – Мн.: «Право и экономика», 2008. – 403 с. 9. Гейдон А. Спектроскопия и теория горения. – М.: Изд-во иностр. лит., 1950. – 308 с. 10. Nagase K., Funatsu K. Spectroscopic analysis of diesel combustion flame by means of streak camera //SAE

Techn. Pap. Ser. 1989. № 881226. P. 1-9. 11. Гречихин Л.И. Двигатели внутреннего сгорания. Физические основы технической диагностики и

оптимального управления. – Мн.: Навука i тэхнiка, 1995. – 270 с. 12. Куць Н.Г. Стационарная и нестационарная теплопроводность слоистых кристаллических сред в

двигателях внутреннего сгорания. В печати. 13. Семенов Н.Н. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности. – М.: Изд-во

АН СССР, 1958. – 587 с. 14. Хитрин Л.Н. Физика горения и взрыва. – М.: Изд-во московского университета, 1957. – 442 с. 15. Ассонов В.А. Спутник взрывника. – М., Ленинград, Новосибирск: Государственное научно-техническое

горно-геолого-нефтяное издательство, 1933. – 104 с. 16. Коробейников В.П., Мельникова В.С., Рязанов Е.В. Теория точечного взрыва. – М.: Физматгиз, 1961. –

332 с. 17. Костенбойм Х.С. Точечный взрыв. Методы расчета. Таблицы. – М.: Наука, 1974. – 255 с. 18. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т. 2. – М.: Наука, 1976. – 576 с.


Показано, що в атмосфері Землі при низьких температурах у нічних умовах, молекули

кисню у великій кількості перебувають у вигляді кластерів. Потрапляючи в шахту, вони адсорбуються у вигляді плівки на вугільному пилу. Це може привести до самозапалювання й до вибуху метаноповітряної суміші.

It is shown that in the Earth atmosphere at low temperatures at night conditions molecules of

oxygen in large quantities are in the form of clusters. Once in the mine, they are adsorbed as a film on the coal dust. This can lead to spontaneous inflammation and explosion of methane-air mixture.


113

УДК [551.242.1.03+662.831.3](477.6)

А. В. Никитенко Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, Украина

Поля напряжений западного замыкания Горловской антиклинали Донбасса и стадийность

их развития

В статье рассмотрены вопросы формирования геологической структуры западного замыкания Горловской антиклинали Донбасса. По результатам полевых тектонофизических исследований трещинной тектоники были реконструированы тектонические поля напряжений и стадийность их развития в пределах поля шахты «Новодзержинская». Направленный и унаследованный характер изменения условий тектонического нагружения структуры западного замыкания Горловской антиклинали характеризуется последовательным изменением типа поля напряжений от наиболее древнего сбросового до наиболее молодого – сдвигового. Восстановленное поле напряжений по своим параметрам, особенно по ориентировке осей главных нормальных напряжений, совпадает с данными, полученными в своё время для Никитовского рудного поля. Это поле является самым молодым для Донбасса и датируется ларамийской фазой альпийского тектогенеза.

Ключевые слова: трещинная тектоника, поля напряжений

Всестороннее изучение процесса образования структурных деформационных элементов требует не только освещения закономерностей их распространения в пространстве и последовательности возникновения во времени, но и выяснения механизма их формирования.

Для понимания причин и условий образования различных морфологических типов складок и разрывов большое значение имеют закономерности распределения напряжений, сопровождающих развитие этих структурных элементов в земной коре. Вместе со схемой всех внешних активных сил, учетом основных особенностей механических свойств деформируемых пород, а также всей совокупности деформационных элементов структурного парагенезиса они представляют описание механизма.

Реконструкции параметров палеотектонических напряжений в пределах поля шахты «Новодзержинская», расположенной на периклинальном замыкании Горловской антиклинали Донецкого бассейна, в локальных объёмах горного массива выполнялись кинематическим методом, разработанным О.И. Гущенко и позднее усовершенствованным В.А. Корчемагиным, с использованием всей совокупности замеренных тектонических сколов и установленных на их стенках векторов смещения [1-3]. Параметры полей мезорегионального уровня (для отдельных выделенных блоков и шахтного поля в целом) восстанавливались как путём статистической обработки на стереографической сетке данных локальных реконструкций, так и аналитически.

В процессе реконструкции параметров поля напряжений по каждому локальному участку составлялись стереограммы, ставшие основой для всех остальных построений. Несмотря на то, что решение локальных стереограмм отличаются наибольшей изменчивостью ориентировок главных осей напряжений и других параметров поля, они позволяют установить характер поля напряжений и направленность приложения тектонических усилий в каждом локальном объеме горного массива, а также проследить их изменение от одного пункта замеров к другому.

С учетом того, что между ориентировками осей напряжений локального уровня и осями следующих структурных уровней существует закономерная связь, обусловленная иерархической природой полей напряжений, для перехода к полям мезорегионального уровня осуществлялась статистическая обработка данных о локальных полях напряжений. Эта процедура заключается в том, что все реконструкции локальных полей выносились на сводные стереограммы, на которых затем выделялись области распространения осей одного наименования, ограниченные коническими поверхностями с вершинным углом 900, оси которых соответствуют осям напряжений следующего структурного уровня. Сводные стереограммы были составлены для двух структурных блоков поля шахты «Новодзержинская» и сводная для всей шахты.


114

С учетом особенностей геологического строения поле шахты «Новодзержинская» разделено на два структурных блока, граница между которыми проходит по зоне Осевого надвига: первый блок - с преимущественно северным и второй блок – с преимущественно юго-западным падением пород (рис. 1).

Рис. 1 – Структурная схема поля шх. «Новодзержинская» (план горизонта –502 м): 1 – основные угольные пласты; 2 – тектонические разрывы; 3 – разведочные скважины; 4 – границы

структурных блоков Более простым тектоническим строением характеризуется второй блок. По простиранию

он ограничен сместителями Осевого (на северо-западе) и Главного (на юго-востоке) надвигов. Залегание пород здесь спокойное, слабоволнистое, дизъюнктивная нарушенность незначительная.

Более сложной геологической структурой характеризуется первый блок. Он насыщен многочисленными разрывами и интенсивными пликативными дислокациями. Среди дизъюнктивов преобладают разрывы трёх пространственных ориентировок (рис. 2а): крутопадающие северо-западные (аз.пад.4075) и меридиональные (аз.пад.27280), а также пологие северо-западного простирания (аз.пад.20540).

По характеру тектонических дислокаций первый блок, в свою очередь, может быть разбит на два домена. Один из них охватывает восточную часть блока, где развита мощная зона крутопадающих разрывов северо-западной ориентировки. Она состоит из нескольких субпараллельных сместителей круто падающих преимущественно на север (аз.пад. 4070-80) и формирующих в плане правый ряд кулис. Штрихи, замеренные на плоскостях сместителей этих нарушений, имеют угол наклона от 10 до 30, что с учетом видимого смещения маркеров позволяет охарактеризовать их как правые сбросо-сдвиги. Пространство между этими основными разрывами рассечено системой практически ортогональных им левых сбросо-сдвигов. Морфологически – это крутопадающие разрывы северо-восточного простирания (аз.20-25) с нормальными амплитудами смещения до 5-7м.


115

С учётом кинематики и пространственной ориентировки эти две системы разрывов (т.е. северо-западные правые и северо-восточные – левые сбросо-сдвиги) можно рассматривать как сопряженную пару сколов.

Рис. 2 – Стереограммы ориентировок трещинно-разрывных структур: а – ориентировка тектонических разрывов первого блока, б – ориентировка тектонических разрывов зоны Осевого надвига, в – ориентировка штрихов и борозд скольжения на зеркалах в зоне Осевого надвига

1 – изолинии плотности распределения полюсов разрывов (штрихов); 2 – след поясов симметрии; 3 – ось поясов симметрии

Структура западной части первого блока определяется, прежде всего, выявленной здесь

горными работами брахиантиклинальной складкой. На современной глубине развития горных работ отчетливо фиксируется периклиналь (особенно по пластам l5, l4

в, l3, l21) и северное крыло

складки, её южное крыло срезается системой пологих разрывов, входящих в систему Осевого надвига. Основные геометрические элементы складки характеризуются следующим залеганием: шарнир – аз.пад.27520; осевая плоскость – аз.пад.18882. Перегиб слоев в своде плавный, усреднённые элементы залегания пород в крыльях: аз.пад.34734 (для северного) и 26718 (для юго-западного). По своим размерам (1,40,6 км по гор.502 м), геометрическим параметрам и пространственной ориентировке эта купольная складка подобна брахискладкам Никитовского рудного поля и расположенным западнее Дылеевскому и Дзержинскому куполам.

В результате было установлено, что оси сжатия (3) концентрируются в северо-западном и юго-восточном секторах стереограммы, а оси растяжения (1) – в северо-восточном и юго-западном (рис. 1).

В целом, для всего шахтного поля оси главных нормальных напряжений располагаются субгоризонтально и ориентированы следующим образом: ось растяжения 1 – аз.прост.50-60(230–2400) 22, ось сжатия 3 – аз.прост. 320-330(140-150)10. При выдержанной общей ориентировке осей, установлены некоторые особенности этой ориентировки в различных структурных доменах. Так, во втором блоке оси имеют следующие элементы залегания: 1 – аз.пад.23230, 3 – аз.пад.1405 и лежат в усредненной плоскости напластования для этого крыла (рис. 3в). В восточной части первого блока (сдвиговая зона) оси ориентированы следующим образом: 1 – аз.пад.6524, 3 – аз.пад.33020 и также лежат близко к усредненной плоскости напластования для этого блока (рис. 3а). В зоне Осевого надвига (западная часть первого блока) оси имеют следующую ориентировку: 1 – аз.пад.23028, 3 – аз.пад.33018. Ось сжатия здесь расположена близко плоскости напластования, а ось растяжения лежит в плоскости Осевого надвига (рис. 3б).


116

Рис. 3 – Реконструкции поля тектонических напряжений для разных блоков поля шахты «Новодзержинская»: а) первый блок – сдвиговая зона (а), зона Осевого надвига (б); в) второй блок:

1 – оси растяжения: а – локального уровня, б – мезорегионального; 2 – оси сжатия а – локального уровня, б – мезорегионального; 3 – плоскости действия главных нормальных напряжений; 4

– конические поверхности, ограничивающие области развития осей одного знака; 5 – плоскости: а – напластования; б – Осевого надвига

Сочетания осей мезорегионального уровня тектонических напряжений с разрывной

структурой первого блока зоны западного замыкания Главной антиклинали (рис. 4а, б) однозначно расшифровываются путем сопоставления с идеализированными узорами рассеивания полюсов парагенетических семейств разрывов, соответствующим некоторым стандартным видам напряженного состояния [4]. Наличие малокруговых поясов сдвиговой разрывной тектоники вокруг осей 1 и 3 свидетельствует о реализации в условиях исследуемого района двух крайних видов напряженного состояния, когда при стабилизированном положении главных нормальных напряжений деформация объема происходила и при одноосном сжатии и при одноосном растяжении. Только в условиях одноосного растяжения вокруг оси 1 мог формироваться малокруговой пояс рассеивания полюсов сдвиговых разрывов, максимумы плотностей которого однозначно увязывались с ориентацией площадок действия максимальных касательных напряжений. Соответственно малокруговой пояс вокруг оси 3 мезорегионального поля тектонических напряжений своим возникновением должен быть обязан реализации одноосноного сжатия. Это свидетельствует о реализации в условиях исследуемого района правосдвиговых смещений.

Учет структурной обстановки при изучении закономерностей в распределении главных нормальных напряжений позволил выявить приуроченность участков сильных виргаций осей и контрастной изменчивости напряженного состояния к структурным деформационным элементам западного замыкания Горловской антиклинали. Наиболее убедительным доказательством этому служат реконструкции в окрестностях крупных разрывов и сводовой части куполообразной складки. Однако следует отметить, что интенсивность искажения тектонодинамических характеристик в окрестностях разрывных и складчатых структур различна.


117

Рис. 4 – Совмещенные стереограммы ориентировок трещинно-разрывных структур и осей главных нормальных напряжений (см. условные обозначения рис. 2, 3):

а – ориентировка тектонических разрывов первого блока, б – ориентировка тектонических разрывов зоны Осевого надвига, в – ориентировка штрихов и борозд скольжения на зеркалах в зоне Осевого надвига

Как было сказано выше, в распределении полей напряжений локального уровня

наблюдается такая особенность строения реконструированного поля напряжений как закономерное искривление траекторий осей главных нормальных напряжений в окрестностях крупных разрывов. Оси главных нормальных напряжений стремятся занять здесь положение либо перпендикулярно, либо параллельно плоскости разрыва. При этом вдоль сместителя эти участки закономерно чередуются, последовательно сменяя друг друга.

Так, к примеру, реконструкция полей напряжений в пределах Осевого надвига по вентиляционному штреку 42–452 пласта m3 (горизонт –452 м) показала последовательную изменчивость пространственных ориентировок осей главных нормальных напряжений и типа поля напряжений от взбросового до сдвигового. В первом случае восстановленное поле напряжений характеризуется следующими параметрами пространственной ориентации осей: 3 – аз.пад.4921, 1 – аз.пад.29942 (рис. 5а). Второе поле напряжений характеризуется субгоризонтальным положением оси сжатия и наклонным оси растяжения: 3 – аз.пад. 15411, 1 – аз.пад.56035 (рис. 5б). В последнем случае оси главных нормальных напряжений располагаются субгоризонтально и ориентированы следующим образом: 3 – аз.пад. 10816, 1 – аз.пад.20318 (рис. 5в).

Поля напряжений, реконструированные по пласту l21 в пределах Торецкого надвига

(горизонты –452 и –502 м), также характеризуются изменчивым положением ориентировок осей главных нормальных напряжений в пространстве. Здесь фиксируется изменение типа поля напряжений от сбросового до сдвигового. Ось растяжения на данном участке меняет свое положение от субгоризонтального ориентированного в юго-западном – северо-восточном и субширотных направлениях до крутонаклонного. Ось сжатия, в свою очередь, характеризуется изменением своих параметров в пространстве от крутонаклонного положения до субгоризонтального, ориентированного в субмеридиональном направлении. Восстановленные поля сбросового типа близки по своим параметрам и характеризуются следующими пространственными характеристиками: : 3 – аз.пад. 30756 и 13839, 1 – аз.пад.6819 и 2823 (рис. 6а, г). Взбросовое и сдвиговое поля характеризуются относительно стабильной ориентировкой оси сжатия σ3 в субмеридиональном направлении и характеризуются следующими параметрами пространственного положения осей главных нормальных напряжений: 3 – аз.пад. 17110 и 329, 1 – аз.пад.27757 и 10216 соответственно (рис. 6б, в).


118

Рис. 5 – Реконструкции поля тектонических напряжений по вентиляционному штреку 42–452 пласта m3

(горизонт –452 м): 1 – ось сжатия (3); 2– промежуточная ось (2); 3 – ось растяжения (1)

Штрих-пунктир – усредненное простирание Осевого надвига

Рис. 6 – Реконструкции поля тектонических напряжений по пласту l2

1 (горизонт –452 и –502 м):

Пункты замеров: а – точка 1 (15 м); б, в – точки 2, 3 (40 м), г – точка 4 (55 м) 1 – ось сжатия (3); 2– промежуточная ось (2); 3 – ось растяжения (1)

Штрих-пунктир – усредненное простирание Торецкого надвига Такой характер распределения локального поля напряжений хорошо согласуется с

экспериментальными результатами, полученными в лаборатории тектонофизики Института Физики Земли РАН [5], и свидетельствует о периодическом изменении в пространстве и времени напряженного состояния пород вдоль развивающихся разрывов.

Можно отметить, что при внешне хаотичном характере пространственной переориентации осей главных нормальных напряжений, в обоих случаях проявляется тенденция осей занять позицию симметричную деформационным элементам. Так, в окрестностях разлома при сильных виргациях напряжения σ1 и σ3 попеременно чаще ориентируются в плоскости разлома, либо вдоль нормали к нему. В своде куполообразной складки при общей устойчивости ориентации сжимающих напряжений оси растягивающих напряжений в пределах элементарных объемов, чаще всего контролируют положение в пространстве шарнира складки.

Аналитическое решение задачи было выполнено с использованием специализированного программного пакета GEOS, разработанного В. А. Корчемагиным и О. И. Гущенко [6]. Реконструкции осуществлялись на региональном уровне, для всей совокупности разрывов и зеркал скольжения.

В процессе реконструкции удалось выделить и восстановить 6 разновозрастных полей тектонических напряжений, под воздействием которых происходило формирование геологической структуры западного замыкания Горловской антиклинали. Эти поля последовательно сменяли друг друга во времени – от наиболее древнего (F) до наиболее молодого (A) (рис. 7). Абсолютные временные интервалы действия этих полей определить трудно, но последнее поле А по своим


119

параметрам синхронизируется с самым молодым, реконструированным для Донбасса и Приазовья альпийским полем тектонических напряжений [7, 8].

Основные параметры восстановленных полей приведены в таблице 1. В этой таблице в графе 1 приведено название поля; 2 – общее количество замеров, использованных при его реконструкции; 3 – процент от общего количества подвижек, которые соответствуют восстановленному полю; 4 – тип поля (сбросовый, взбросовый, сдвиговый); в 5, 6 и 7 – элементы залегания осей главных нормальных напряжений: азимут падения и угол растяжения (σ1), промежуточной (σ2) и сжатия (σ3), соответственно; 8 – значение коэффициента μσ («+1» – одноосное сжатие, «1» – одноосное растяжение).

Таблица 1 – Параметры реконструированных тектонических полей напряжений

Стадия Кол-во замеров

% Тип поля σ1 σ2 σ3 μσ

A 934 34,4 сдвиговый 2573 15477 34813 0,9 B 934 25,4 взбросовый 21967 7918 34414 0,95 C 934 18,4 взбросовый 18775 34714 785 0,95 D 934 28,1 сдвиговый 33613 17876 685 -0,95 E 934 22,8 сбросовый 35015 2601 16675 -0,95 F 934 18,7 сбросовый 2592 35015 16275 -0,9

Самыми древними из восстановленных полей являются последовательно сменяющие друг

друга поля F и E, характеризующиеся сбросовым типом. При приблизительно близкой крутонаклонной ориентировке оси максимального сжатия (σ3) – аз.пад. 162° и 166°, они существенно отличаются по ориентировке оси растяжения, которая последовательно занимает положение от близширотного (аз. 259°) до субмеридионального (аз. 350°). Более молодое поле D – сдвиговое. Оси максимального тектонического сжатия и растяжения практически горизонтальны. Сжатие ориентировано субширотно (аз.пад. 68°), растяжение – близко к меридиану (аз.пад. 336°). Следующие два поля C и B – взбросовые, характеризующиеся близгоризонтальным сжатием и субвертикальным или крутонаклонным положение оси растяжения. Ось сжатия на этих этапах последовательно меняла своё направление – от субширотного (аз. 78°) до субширотного (аз. 344°). Самое последнее по времени проявления поле А является сдвиговым. Для него характерно близгоризонтальное положение осей σ1 и σ3. При этом сжатие ориентировано практически продольно к основным складчатым структурам района (аз. 348°), растяжение – ортогонально (аз. 257°). Вид напряженного состояния для последних трех полей близок к одноосному сжатию, для остальных – к одноосному растяжению.

Рис. 7 – Направленный и унаследованный характер изменения условий тектонического нагружения структуры западного замыкания Горловской антиклинали Донбасса (траектория оси сжатия показана черной стрелкой, оси растяжения – серой стрелкой): типы полей напряжений: 1 – сбросовое; 2 – сдвиговое; 3 –

взбросовое


120

Таким образом, направленный и унаследований характер изменения условий тектонического нагружения структуры западного замыкания Горловской антиклинали характеризуется последовательным изменением типа поля напряжений от наиболее древнего сбросового до наиболее молодого – сдвигового.

В целом, восстановленное поле напряжений по своим параметрам (особенно по ориентировке осей главных нормальных напряжений) совпадает с данными, полученными в своё время для Никитовского рудного поля. Это поле является самым молодым для Донбасса и датируется ларамийской фазой альпийского тектогенеза [7, 8].


1. Гущенко О.И. Метод кинематического анализа структур разрушения при реконструкции тектонических полей напряжений / О.И Гущенко // Поля напряжений и деформаций в литосфере. – М.: Наука, 1979. – С. 7–25.

2. Гущенко О.И. Кинематический метод определения параметров напряжений и характеристика их связи с тектоническими движениями по разрывам разных структурных уровней (на примере Западного Дарваза и сейсмически активных районов Южной Азии): автореф. дис. на соискание науч. степени канд. геол.–мин. наук: спец. 04.00.04 «Геотектоника» / О.И. Гущенко. – М. – 1981. – 22 с.

3. Корчемагин В.А. Геологическая структура и поля напряжений в связи с эволюцией эндогенных режимов Донбасса: дис. … доктора .геол.–мин. наук: 04.00.04 / Корчемагин Виктор Александрович – М., 1984. – 304 с.

4. Расцветаев Л.М. Выявление парагенетических семейств тектонических дизъюнктивов как метод палеогеомеханического анализа полей напряжений и деформаций земной коры / Л.М. Расцветаев // Поля напряжений и деформаций в литосфере. – М.: Наука, 1987. – С.171–181.

5. Осокина Д.Н. Метод моделирования локальных полей напряжений в окрестностях тектонических разрывов в очагах землетрясений / Д.Н. Осокина, Н.Ю. Цветкова // Поля напряжений и деформаций в литосфере. – М.: Наука, 1979. – С.139–162.

6. Гущенко О.И. Тектонический стресс-мониторинг и поля напряжений Причерноморского региона /О.И. Гущенко, А.О. Мострюков, В.А. Корчемагин и др. // Сб. науч. трудов ДонНТУ. – Донецк: ДонНТУ, 2001 – Серия горно–геологическая.– Выпуск 32. – С. 104–117.

7. Корчемагин В.А. Особенности развития тектонической структуры и поля напряжений Донбасса и Восточного Приазовья / В.А. Корчемагин, В.С. Емец // Геотектоника. – 1987. – №3. – С. 49–55.

8. Корчемагин В.А. Тектоника и поля напряжений Донбасса / В.А. Корчемагин, Ю.С. Рябоштан // Поля напряжений и деформаций в земной коре. – М.: Наука, 1987. – С. 164–170.


Нікітенко О. В.

Донецький національний технічний університет, м. Донецьк, Україна

Оцінка тектоніки та кінематичні плани західного змикання Горлівської антикліналі Донбасу

В статті розглянуто питання щодо оцінки та прогнозування тектонічної порушеності західного змикання Горловської антикліналі Донбасу. За результатами польових тектонофізичних досліджень розривної тектоніки було вивчено ступінь тектонічної порушеності та виявлено особливості зміни кінематичного плану з глибиною геологічної структури, що розглядається. Відзначається переважання розривів субширотного простягання на верхніх горизонтах, які у кінематичному відношенні становлять собою різномасштабні структури насувного типу. Зі збільшенням глибини спостерігається переважання розривів субширотного та меридіонального орієнтування. На нижніх горизонтах переважають розриви меридіонального та північно-західного орієнтування, які характеризуються правозсувовою кінематикою.

Ключові слова: зсувова тектоніка, тектонічна порушеність, кінематичний план


121

Nikitenko A. V.


Estimated tectonics and kinematic plans of Horlovskaya anticline western closure of Donbas

The problems of tectonic dislocation estimation and prognostication of Horlovskaya anticline western closure of Donbas were considered. Tectonic dislocation degree and kinematic plan change under conditions as the depth increases were studied under the fractured tectonics field tectonophysical findings within concerned geological structure. It should be noted that sublatitudinal-oriented faults are predominant on upper levels. These faults are different-scale thrust type structures in kinematic respect. There is an increase in the number of sublatitudinal and meridional-oriented faults as the depth increases. Subvertical meridional and northwest-oriented faults with dextral fault kinematics are observed on lower levels.

Keywords: shift tectonics, tectonic dislocation, kinematic plan


122

УДК 622.24.085

А. А. Каракозов, С. Н. Парфенюк Донецкий национальный технический университет, Донецк, Украина

Результаты разработки гидроударников двойного действия с дифференциальным поршнем для

бурения скважин различного целевого назначения

В статье рассмотрен уточнённый метод инженерного расчёта гидроударников для бурения скважин. Приведены результаты сравнения численного моделирования рабочего цикла гидроударника по уточнённому методу и исходной методике, а также результаты экспериментальных исследований и производственной апробации.

Ключевые слова: гидроударник, расчет.

В практике геологоразведочного бурения уже более пятидесяти лет применяются гидроударники двойного действия с дифференциальным поршнем. Сначала они использовались при ликвидации прихватов, а затем их стали применять при бурении и пробоотборе на шельфе, а также при ударно-вращательном бурении геологоразведочных, гидрогеологических, дегазационных и технических скважин. Использующийся в настоящее время метод расчёта [1] даёт возможность определить параметры гидроударника и успешно используется при проектировании ряда конструкций, применяемых в практике буровых работ. Однако детальный анализ схемы работы гидроударника (рис. 1) показывает, что существующий метод расчёта не всегда соответствует реализуемым в устройствах рабочим циклам и поэтому требует уточнения.

Буровой насос (рис. 1а), соединяется подводящим трубопроводом площадью fT с гидроударником, в состав которого входят: впускной 1 и выпускной 2 клапана с ограничителем 3 и пружиной 4, цилиндр 5, дифференциальный поршень 6 со штоком 7, боёк 8, верхняя 9 и нижняя 10 наковальни. Насос подаёт жидкость с постоянным расходом Q. Скорость течения жидкости в трубопроводе равна VT. Исходное положение бойка 8 – на нижней наковальне 10, что соответствует координате перемещения х=0. Величина полного хода бойка – Sб, рабочего хода бойка – S, хода клапанов – Sk. Из гидроударника жидкость выходит в скважину, выполняющую роль отводящего (сливного) трубопровода, или в толщу воды – при однорейсовом бурении.

В общем случае рабочий цикл гидроударника делится на четыре фазы, отличающиеся характером движения и величиной возможного перемещения бойка (рис. 1б-д).

Фаза 1 – движение бойка вверх на рабочем ходе S. Осуществляется за счёт давления жидкости в полости цилиндра под поршнем (рис. 1б). Фаза заканчивается в момент встречи поршня с выпускным клапаном (рис. 1в). Длительность фазы – t1.

Фаза 2 – движение бойка вверх на свободном ходе S2, равном разности между полным (Sб) и рабочим (S) ходом бойка. При этом впускной и выпускной клапаны перемещаются из исходного (нижнего) положения в верхнее положение на величину хода клапанов Sk. Фаза заканчивается при соударении бойка с верхней наковальней (рис. 1г). Длительность фазы – t2.

Фаза 3 – движение бойка вниз на рабочем ходе S. Осуществляется за счёт давления жидкости в обеих полостях цилиндра. Фаза заканчивается в момент встречи поршня с ограничителем выпускного клапана (рис. 1д). Длительность фазы – t3.

Фаза 4 – движение бойка вниз на свободном ходе S2. При этом происходит перестановка впускного и выпускного клапанов в исходное нижнее положение. Фаза заканчивается при соударении бойка с нижней наковальней. Длительность фазы – t4. В конце фазы гидроударник возвращается в исходное положение (рис. 1 б).

Из описания рабочего цикла следует, что, в общем случае, математическая модель должна составляться для несимметричного цикла, т.е. учитывать разные величины, как рабочих, так и свободных ходов бойка для каждого полуцикла (ход вверх и вниз). В общем случае также будут различаться площади поршня при ходе вверх и вниз. Поскольку в исследуемых конструкциях


123

используются пружины с жёсткостью до 100–150 кН/м, наличием которых уже нельзя пренебрегать, то в модели обязательно должно учитываться влияние клапанной пружины на протекание рабочего цикла. Кроме того, в гидравлической системе «насос – подводящий трубопровод – гидроударник – отводящий трубопровод» жидкость перетекает в отводящий трубопровод только на одном полуцикле (рис. 2), что также должно быть учтено в математической модели за счёт использования коэффициента разряжения за поршнем при гидроударе только при ходе бойка вверх.

Рис. 1. Схема работы гидроударника двойного действия с дифференциальным поршнем. Также будут различными и гидравлические сопротивления на входе в цилиндр механизма

при движении бойка вверх и вниз, определяющиеся конструкцией клапанной группы, однако сейчас при расчетах оперируют средними потерями давления в гидроударнике. Например, потери давления на впускном клапане влияют только на протекание полуцикла при ходе бойка вниз. По осциллограммам, полученным авторами и приведенным на рис. 3, видно, что для одной и той же конструкции гидроударника только уменьшение гидравлических сопротивлений на впускном клапане позволило увеличить максимальную скорость бойка на ходе вниз в 1,75 раза (2,1 м/с против 1,2 м/с). При этом продолжительность цикла уменьшилась с 61,5 мс до 45,3 мс, что привело к увеличению частоты ударов с 16,3 до 22,1 Гц (в 1,36 раза) [2]. Из приведенного примера видно, что снижение гидравлических сопротивлений на впускном клапане позволяет значительно

© А. А. Каракозов, С. Н. Парфенюк, 2014


124

улучшить энергетические показатели гидроударника. Следовательно, различие в гидравлических сопротивлениях также на разных полуциклах также должно быть учтено в расчётной модели.

Рис. 2. Гидравлическая схема работы гидроударника при ходе бойка: а – вверх; б – вниз.

Рис. 3. Сравнение осциллограмм рабочих циклов гидроударника: 1 – после увеличения сечения потока в клапанной коробке; 2 – для исходной конструкции.

В известном методе расчёта гидроударника [1] имеется также следующее противоречие.

При определении скорости соударения бойка с наковальней с учётом гидравлического торможения принято допущение о мгновенной перестановке клапанов. Но одновременно в математической модели учитывается не равное нулю время перестановки клапанов, соответствующее времени движения бойка на рабочем ходе. Эти положения противоречат друг другу. Таким образом, торможение бойка на свободном ходе определяется приближённо, что требует уточнения существующего метода и с этой позиции.

В общем случае, в модели вообще нельзя отождествлять время перестановки клапанов и продолжительность движения бойка на свободном ходе. При этом динамика клапанной группы фактически определяет характер и особенности протекания 2-й и 4-й фаз рабочего цикла:

– Если время перестановки клапанов меньше продолжительности фазы, то эта фаза фактически будет состоять из двух этапов: на первом боёк будет тормозиться силой, обусловленной гидравлическими сопротивлениями при перетекании жидкости в отводящий


125

трубопровод, а на втором – силой, обусловленной давлением жидкости после перестановки клапанов;

– Если время перестановки клапанов превышает продолжительность фазы, то в наличии будет только первый этап, т.е. перед соударением с наковальней тормозящая сила, обусловленная рабочим давлением, вообще будет отсутствовать.

Таким образом, существующий метод расчёта рабочих параметров гидроударника и математическая модель его работы требуют уточнения.

Математическая модель для инженерного расчёта рабочего цикла гидроударника, также как и её прототип [1], построена для установившегося режима работы с учётом общепризнанных допущений: 1. Переход энергии потока жидкости из одной формы в другую осуществляется по закону гидравлического удара; 2. Плотность жидкости постоянна; 3. Пренебрегаем временем пробега упругой волны по цилиндру, инерционностью и сжимаемостью жидкости в цилиндре; 4. Удар бойка по наковальне не вполне упругий; 5. Корпус механизма неподвижен.

При составлении модели работы гидроударника учтена взаимосвязь и взаимовлияние динамики бойка и клапанной группы. Но поскольку динамика клапанной группы зависит от изначально неизвестной скорости бойка в конце рабочего хода, то сразу учесть её влияние на протекание рабочего цикла не представляется возможным. Поэтому предлагается следующая последовательность определения параметров рабочего цикла гидроударника. Предварительно определяются его параметры с учётом приближённого времени перестановки клапанов, соответствующего продолжительности движения бойка на свободном ходе. Затем по рассчитанным параметрам гидроударника в конце рабочего хода определяется время перестановки клапанов с учётом динамики клапанной группы и характер движения бойка на свободном ходе, после чего проводится перерасчёт параметров гидроударника. На их основе опять рассчитывается время перестановки клапанов. Если оно незначительно отличается от ранее определённой величины, то расчёт прекращают. В противном случае может быть проведено несколько циклов расчёта по последовательному уточнению параметров гидроударника до тех пор, пока расчётные значения времени перестановки клапанов для двух смежных расчётов будут отличаться незначительно. При этом определение времени перестановки клапанов с учётом динамики клапанной группы и характера движения бойка на свободном ходе осуществляется на основании отдельной математической модели, составляемой для конкретной конструктивной схемы клапанной группы [3].

Поскольку в модели рассматривается несимметричный рабочий цикл гидроударника, то его полуциклы описываются отдельно.

Ход бойка вверх. Дифференциальное уравнение движения бойка имеет вид:

RmgfPxSzPfxm kk 2)( , (1)

где m – масса бойка; x – ход бойка; P – давление в цилиндре механизма под поршнем; f – площадь поршня снизу; f’ – площадь поршня сверху; zk – жёсткость клапанной пружины; Sk’ – предварительное поджатие клапанной пружины; P2 – давление на преодоление гидравлических сопротивлений при ходе вверх; g – ускорение свободного падения; R – сила механических сопротивлений.

Давление жидкости в цилиндре гидроударника

10 /)( PfxVcfkP T ,

где k – коэффициент разряжения за бойком при гидроударе; – коэффициент утечек; – плотность жидкости; с – скорость распространения гидроударной волны; V0 – скорость жидкости в цилиндре, V0=Q/f; P1 – постоянная составляющая давления жидкости.

Тогда из уравнения (1) получим

RmgxSzfPfPfxVcfkxm kkT )(/)( 2102 (2)

После преобразований уравнение (2) приводится к виду:

0 CBxxAx , (3)

где )/(2TmfcfkA ; mzB k / ; mmgSzfPfVcfkfPС kkT /)/( 20

21 .


126

Вид решения дифференциального уравнения (3) определяется соотношением величин A и B. Рассмотрим только вариант (A/2)2<B, имеющий место при анализе конструкций с жёсткими клапанными пружинами и соответствующий комплексным корням характеристического уравнения. С учётом начальных условий (перемещение и скорость бойка равны нулю) решение дифференциального уравнения (3) имеет вид, аналогичный известному решению для гидроударника одинарного действия с прямым активным ходом бойка [1, 4, 5]:

tt

Ae

B

Cx At

cossin

21 2/ ,

teC

x At

sin2/ ,

где 2)2/(AB .

При этом безразмерный параметр xxY / примет вид:

2sin

cos2/ A

t

te

BY

At

.

Для определения параметров гидроударника необходимо знать значение времени t1 конца рабочего хода бойка вверх S. Оно является неизвестной величиной, которую можно определить из уравнения баланса объёмов жидкости, проходящих через механизм на полуцикле:

211

qqQT ,

где T1 – длительность полуцикла движения вверх; q1 и q2 – объемы жидкости, проходящие через механизм на первой и второй фазах рабочего цикла.

Учитывая данные ранее проведенных исследований [1], имеем:

kVftfSSttQ /)( 221

или

kб VftfSttQ /21 , (4)

где S, S2 – рабочий и свободный ход бойка вверх; Sб – полный ход бойка; tk – время перестановки клапанов (в первом приближении считаем tk=t2); V – приращение скорости жидкости после открытия клапана [1]:

fffcf

PffVVckV

T

T

/1

/

0

10

,

где V – скорость бойка в конце рабочего хода S; f0 – площадь проходного сечения клапана. Давление Р1 может быть определена из баланса работы жидкости в цилиндре [1]:

1

222

1

)2/(2/1

QT

SRfPSSzSmVP kk

.

Время перестановки клапанов tk сначала не может быть точно определено, поэтому в первом приближении оно может быть рассчитано по упрощённой формуле [1], а затем уточнено.

Sk

YSttk

2

22 ,

где k2=0,890,96 – коэффициент потерь скорости бойка на свободном ходе. Уравнение (4) решается относительно t1 одним из приближенных методов. После

определения t1 находят скорость бойка перед перестановкой клапанов V=S/Y. Затем последовательными приближениями устанавливаются tk и t2, T1, и скорость соударения бойка с наковальней V2. При этом методика определения времени перестановки клапанов tk и скорости соударения бойка с наковальней V2. может быть различной в зависимости от конструктивного исполнения клапанной группы гидроударника.

Ход бойка вниз. Дифференциальное уравнение движения бойка имеет вид:

RfPmgxSzfPxmнkk 2)( , (5)


127

где P’ – давление в цилиндре механизма над поршнем; P2’ – давление на преодоление гидравлических сопротивлений при ходе вниз; Sk – ход клапанной группы (выпускного клапана);

kkнk SSSS – предварительное поджатие клапанной пружины.

Подставляя значение давления в цилиндре механизма (без учёта коэффициента разряжения за поршнем, поскольку на фазе разгона жидкость в цилиндре механизма отделена от сливного трубопровода, см. рис. 2б), из уравнения (5) получим:

RmgxSzfPfPfxVcfxmнkkT )(/)( 21110

21 , (6)

где fff 1 . После преобразований уравнение (6) приводится к виду:

01 DBxxAx , (7)

где )/(211 TmfcfA ; mRmgSzfPfPfVcfD н

kkT /)/( 211102

1 .

Для нашего случая, по аналогии с ходом вверх, решение имеет вид:

tt

Ae

B

Dx tA

111

12/1 cossin2

1

,

teD

x tA1

2/1

1

sin

,

где 211 )2/(AB .

При этом безразмерный параметр Y примет вид:

1

1

1

12/1

1

2sin

cos

A

t

te

BY

tA

.

Для определения параметров гидроударника необходимо знать значение времени t3 конца рабочего хода бойка вниз S’. В данном случае оно также может быть определено из уравнения баланса объёмов жидкости:

432 qqQT ,

где T2 – длительность полуцикла; q3 и q4 – объемы жидкости, проходящие через механизм на третьей и четвёртой фазах.

Тогда можно записать

11143 / kб ftVfSttQ , (8)

где tk1 – время перестановки клапанов при ходе вниз; V1 – приращение скорости жидкости в механизме после открытия клапана.

110

111101 /1

/f

ffcf

PffVVckV

T

T

,

где V1 – скорость бойка в конце рабочего хода вниз S’. Величина давления Р11 может быть определена из баланса работы жидкости в цилиндре:

2

222

111

)2/(2/1

QT

SfPSRSSzSmVP

н

kk

.

Время перестановки клапанов tk1 также сначала не может быть точно определено, поэтому в первом приближении оно может быть рассчитано по упрощённой формуле [1], а затем уточнено.

Sk

SYttk

2

241 ,

где S’2 – свободный ход бойка при движении вниз. Уравнение (8) также решается относительно t3 одним из приближенных методов. После

определения t3 находят скорость бойка перед перестановкой клапанов V1=S’/Y. Затем последовательными приближениями устанавливается tk1 и t4, T2 и скорость соударения бойка с наковальней V21.


128

Далее определяется продолжительность цикла T=Т1+Т2 и среднее давление за цикл P=(РuТ1+РdТ2)/Т, где Рu и Рd – давления при ходе бойка вверх и вниз. Остальные рабочие параметры (энергия и частота ударов, мощность эффективная и на привод, а также КПД) рассчитываются по известным зависимостям [1].

Проведённые расчёты по исходной и уточнённой методике даже без учёта особенностей работы клапанной группы показывают необходимость учёта клапанной пружины на рабочий цикл: при этом наблюдается как отличие скорости бойка при ходе вверх и вниз даже при одинаковых значениях свободного хода, так и оптимальное значение хода бойка, соответствующее максимуму скорости. В табл. 1 показаны результаты расчёта для гидроударника диаметром 108 мм с массой бойка 50 кг и подводящим трубопроводом из бурильных труб диаметром 50 мм (свободный ход бойка 3 мм).

Таблица 1. Сравнение оптимальных значений рабочего хода (S) и максимальных скоростей (V) ударов бойка гидроударника в зависимости от расхода жидкости (с учётом и без учёта клапанной пружины) при жёсткости клапанной пружины 60 и 100 кН/м

zk=60 кН/м zk=100 кН/м Без учёта пружины Ход вниз Ход вверх Ход вниз Ход вверх

Q, л/мин

S, мм V, м/с S, мм V, м/с S, мм V, м/с S, мм V, м/с S, мм V, м/с 120 10 0,84 10 0,82 8 0,78 10 0,83 7 0,77 150 12 1,11 10 1,05 12 1,09 12 1,10 9 1,03 180 14 1,41 14 1,38 12 1,33 14 1,38 11 1,30 210 16 1,73 15 1,69 14 1,64 15 1,69 13 1,61 240 18 2,06 18 2,02 16 1,96 17 2,02 15 1,93 270 20 2,42 19 2,36 20 2,30 20 2,37 17 2,28 300 22 2,80 22 2,73 20 2,67 22 2,74 19 2,64

Для обеспечения максимальных глубин скважины и механических скоростей бурения при

ограниченной приводной мощности насоса можно поддерживать энергию ударов в пределах 3…5% (в некоторых случаях 10%) от максимума за счёт постепенного увеличения хода бойка в зависимости от глубины эксплуатации при неизменном расходе жидкости. Это позволяет увеличить глубину бурения скважины, компенсируя потери энергии при течении жидкости в бурильной колонне и скважине за счёт снижения эффективной мощности гидроударника, уменьшая частоту ударов без существенных потерь энергии [6], что, в свою очередь, позволяет поддерживать механическую скорость бурения на максимально возможном уровне.

Когда же энергетические возможности приводного оборудования будут исчерпаны, то переходят на работу на пониженном расходе жидкости, начиная с минимально возможных значений хода бойка.

Проведённая экспериментальная проверка показала принципиальную возможность реализации такого подхода.

В качестве примера на рис. 4 представлены совмещённые осциллограммы скорости бойка при его ходе 17 мм (кривая 1) и 21 мм (кривая 2) при пониженном для данной конструкции гидроударника расходе жидкости 180 л/мин.

Эти данные иллюстрируют практическое сохранение скорости (а, следовательно, и энергии) удара на одном уровне при работе гидроударника разных условиях, в том числе и при низких расходах жидкости.

При реализации принципа постоянного поддержания энергии ударов на близком к максимуму уровне необходимо знать разброс скорости движения бойка в конце рабочего хода.

Если при использовании исходной методики разброс (вариация) скорости движения бойка в конце рабочего хода (от 10 до 30 мм) составляет не более 16%, то при учёте клапанной пружины диапазон изменения предударной скорости бойка изменяется, а при малых расходах жидкости и больших жёсткостях пружин – расширяется до 40% и более (табл. 2).

Таким образом, приведенные выше примеры показывают целесообразность использования уточнённого метода инженерного расчёта параметров гидроударника при проектировании новых образцов буровой техники.


129

Рис. 4. Осциллограммы скорости бойка экспериментального гидроударника

Таблица 2. Вариации скорости движения бойка в конце рабочего хода в зависимости от жёсткости клапанной пружины при диаметре бурильных труб 63,5мм (S=10…30 мм).

Жёсткость пружин, кН/м Ход вверх Ход вниз Q, л/мин

Без учёта пружины

60 80 100 60 80 100

120 0,11

(+11%) 0,28

(+29,2%) 0,34

(+35,8%) 0,39

(+41,9%) 0,25

(+25,8%) 0,3

(+30,9%) 0,33

(+34,4%)

150 0,09

(+6,9%) 0,22

(+17,6%) 0,29

(+23,2%) 0,34

(+27,4%) 0,2

(+15,8%) 0,24

(+18,9%) 0,28

(+22,1%)

180 0,07

(+4,3%) 0,18

(+11,5%) 0,22

(+14,1%) 0,26

(+16,8%) 0,16

(+10,1%) 0,9

(+12%) 0,22

(+13,9%)

210 0,07

(+3,5%) 0,13

(+6,8%) 0,17

(+9%) 0,19

(+10,1%) 0,12

(+6,2%) 0,14

(+7,3%) 0,16

(+8,3%)

240 0,13

(+5,5%) 0,1

(+4,4%) 0,11

(+4,9%) 0,14

(+6,3%) 0,11

(+4,8%) 0,1

(+4,4%) 0,12

(+5,3%)

270 0,22

(+8%) 0,18

(+6,8%) 0,16

(+6,1%) 0,15

(+5,7%) 0,18

(7,1%) 0,19

(+7,1%) 0,18

(+6,8%)

300 0,31

(+9,8%) 0,27

(+8,9%) 0,25

(+8,3%) 0,24

(+8%) 0,29

(+9,4%) 0,28

(+9,1%) 0,27

(+8,8%) С использованием приведенного выше уточнённого метода получен массив расчётных

данных и зависимостей для гидроударников диаметром 108 мм, анализ которых показал, что:

– Скорость бойка в конце рабочего хода, рассчитанная с учётом действия клапанной пружины, всегда меньше скорости, рассчитанной по исходной модели [1] (без учёта пружины).

– Для всех случаев скорость бойка при ходе вниз превышает соответствующую скорость при ходе вверх, что объясняется влиянием клапанной пружины, соответственно, тормозящей и разгоняющей боёк.

– При увеличении жёсткости пружины скорость бойка вверх незначительно снижается, при этом максимум скорости сдвигается в сторону меньших значений хода бойка.

– Увеличение площади трубопровода приводит к росту скорости бойка и смещению максимума скорости в сторону больших значений хода бойка.

– При прочих равных условиях увеличение жёсткости клапанной пружины приводит к некоторому снижению рабочего давления и росту КПД, причём эти зависимости практически линейны. Продолжительность рабочего цикла и частота ударов изменяются незначительно: их графики представляют собой практически горизонтальные линии.

– Время движения бойка на ходе вниз всегда больше соответствующей величины при ходе вверх. При этом с увеличением расхода жидкости эта разница снижается до 8% (для малых расходов она может составлять более 15%). Зависимость относительной разности продолжительности полуциклов от хода бойка имеет вид параболы с минимумом в


130

пределах 20–22 мм. С увеличением расхода жидкости парабола вырождается практически в прямую линию. Зависимость относительной разности продолжительности полуциклов от расхода также имеет вид параболы с минимумом в пределах 240 л/мин.

– Вариация скорости бойка при изменении рабочего хода без учёта клапанной пружины составляет 3–16 %. При учёте жёсткости пружины вариация скорости бойка возрастает и может составлять около 40 % при малых расходах жидкости и больших жёсткостях пружин. Для каждого диаметра подводящего трубопровода существует расход жидкости, при котором это значение минимально. С увеличением диаметра трубопровода минимум вариации перемещается от больших расходов жидкости к меньшим. С ростом жесткости пружины для расходов до 240 л/мин вариация увеличивается, а для больших расходов – снижается.

– При прочих равных условиях вариация для хода вниз всегда меньше, чем для хода вверх. – Максимумы скорости бойка в конце рабочего хода при учёте пружины и без него соответствуют различным значениям рабочего хода. В большинстве случаев это относится и к максимумам скоростей ударов при ходе вверх и вниз. Разница между максимумами невелика – до 10 %, возрастая с диаметром трубопровода и жёсткостью клапанной пружины.

– При фиксированном значении хода бойка разница между скоростями снижается с ростом расхода жидкости и возрастая с увеличением жёсткости клапанной пружины. При этом изменение диаметра трубопровода не оказывает существенного влияния на эту величину.

Полученные результаты использовались при проектировании гидроударника диаметром 108 мм, предназначенного для интенсификации шарошечного бурения скважин на воду в условиях, когда конструкция буровой установки не позволяет обеспечить необходимую осевую нагрузку на долото при небольших глубинах скважин.

Техническая характеристика гидроударника приведена в табл. 3.

Таблица 3 – Техническая характеристика гидроударника для бурения скважин.

№ п/п

Параметр Значение

1 Диаметр корпуса гидроударника, мм 108 2 Длина гидроударника, мм 2175 3 Подача жидкости для привода гидроударника, л/мин 240 – 270 4 Перепад давления в гидроударнике, МПа 2,5–3,0 5 Масса гидроударника, кг 106 6 Энергия удара, Дж 80 – 120 7 Диаметр бурения, мм 112 – 132

Испытания разработанного гидроударника проводились при бурении скважины на воду

глубиной 95 м на объекте работ ЧП «Артезиан» при поддержке специалистов СГРГП «Пивничгеология» в районе г. Белая Церковь. Для бурения скважины использовалась установка 1БА-15В, оснащённая насосом НБ-50, с бурильными трубами диаметром 73 мм.

В геологическом строении участок работ представлен породами осадочного чехла II–IV категорий по буримости мощностью до 70–75 м, ниже которых залегают коренные породы, представленные гранитами IX–X категорий.

Скважина вскрыла граниты на глубине 70,5 м, после чего весь верхний интервал был перекрыт обсадной колонной диаметром 146 мм. Для проходки гранитов сначала было решено использовать пневмоударник, который на первых порах обеспечил механическую скорость бурения до 3 м/час. Но затем пришлось отказаться от его применения, так как из-за больших притоков воды компрессор буровой установки не обеспечивал необходимое давление воздуха. Бурение было продолжено шарошечным долотом типа ОК диаметром 120,6 мм (при осевой нагрузке 11–15 кН, частоте вращения бурового снаряда 85 об/мин и подаче жидкости 250–270 л/мин). При этом механическая скорость бурения составила 0,5–0,7 м/час, что объясняется низкой осевой нагрузкой, которая, в лучшем случае, была в 4,7–9,3 раза ниже рекомендуемой для используемого долота.

Поэтому было принято решение использовать гидроударник для интенсификации шарошечного бурения в интервале 87–95 м. При бурении с гидроударником, который устанавливался непосредственно над долотом, режимные параметры остались неизменными, однако механическая


131

скорость бурения увеличилась до 1,5–1,7 м/час. Общая проходка с использованием гидроударника составила 8 м. Данные по результатам опытного бурения приведены в табл. 4.

Таблица 4 – Результаты опытного бурения скважины на воду с использованием гидроударника.

№ п/п Интервал бурения, м Время бурения, мин Механическая скорость

бурения, м/час 1 87–89 70 1,71 2 89–91,5 92 1,63 3 91,5–93 59 1,53 4 93–95 75 1,59

Использование разработанного гидроударника в гранитах IX–X категории по буримости

позволило обеспечить прирост механической скорости при бурении долотом типа ОК диаметром 120,6 мм в 2,2–3 раза по сравнению с обычным шарошечным бурением при крайне низких значениях осевой нагрузки (в несколько раз меньше рекомендуемой).


1. Калиниченко, О. И. Развитие научных основ создания погружных гидроударных снарядов и установок для однорейсового бурения скважин на морском шельфе: Дисс. ... докт. техн. наук: 05.06.05 / Калиниченко Олег Иванович. – Донецк, ДонНТУ, 2002. – 371 с.

2. Каракозов, А. А. О влиянии гидравлических сопротивлений на впускном клапане на рабочий цикл гидроударника двойного действия с дифференциальным поршнем / А. А. Каракозов, С. Н. Парфенюк // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения. Сб. научн. Трудов. – Киев: ИСМ им. Бакуля, 2011. – Вып.14. – С. 85-88.

3. Каракозов, А. А. Развитие теории работы и уточнение метода расчёта параметров гидроударников двойного действия с дифференциальным поршнем / А. А. Каракозов, С. Н. Парфенюк // Наукові праці ДонНТУ. Серія «Гірничо-геологічна». Випуск 11 (161). – Донецьк, ДонНТУ, 2010. – С. 223-233.

4. Эпштейн, Е. Ф. Бурение скважин гидроударниками и пневмоударниками / Е. Ф. Эпштейн, В. Г. Ясов. – М. :Недра, 1967. – 168 с.

5. Ясов, В. Г. Теория и расчет рабочих процессов гидроударных буровых машин / В. Г. Ясов. – M. : Недра, 1977. – 153 c.

6. Каракозов, А. А. Повышение эффективности гидроударного бурения скважин при разведке угольных месторождений / А. А. Каракозов // Уголь Украины, №4, 2001. – С. 52-55.


Каракозов А. А., Парфенюк С. М.

ДВНЗ «Донецький національній технічний університет», Донецьк, Україна

Результати розробки гідроударників подвійної дії з диференціальним поршнем для буріння свердловин різного цільового призначення

У статті розглянуто уточнений метод інженерного розрахунку гідроударників для буріння свердловин. Наведено результати порівняння чисельного моделювання робочого циклу гідроударника по уточненого методу і вихідної методикою, а також результати експериментальних досліджень та виробничої апробації

Ключові слова: гідроударник, розрахунок.

Karakozov A. A., Parfenyuk S. N.

Donetsk national technical university, Donetsk, Ukraine

The results of the development of double-acting hydraulic hammer with differential piston for drilling wells for various purposes

The article describes the method of engineering calculations for drilling hammers. The results of the comparison of numerical simulation of working cycle of hammers for proposed method and the reference method and the results of experimental research and production testing.

Keywords: hammer, calculation.


132

УДК 622.24.051.64

А. А. Каракозов1, М. С. Попова1, C. Н. Парфенюк1, Р. К. Богданов2, А. П. Закора2

1 Донецкий национальный технический университет, Донецк, Украина 2 Институт сверхтвёрдых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины, Киев, Украина

Результаты исследований алмазного породоразрушающего инструмента для колонкового бурения скважин на основе

синтетических монокристаллов с повышенной термостойкостью

Приведен сравнительный анализ однослойных алмазных коронок с двумя и четырьмя радиальными рядами в секторе, базирующийся на результатах исследований, выполненных при разработке коронок БСО-1, оснащённых синтетическими монокристаллами зернистостью 1600/1250 мкм с повышенной термостойкостью. Показаны конструктивные особенности и преимущества коронок с двухрядной раскладкой алмазов в секторе.

Ключевые слова: анализ, алмазная коронка, раскладка алмазов.

Успехи в области синтеза алмазных монокристаллов с повышенной термостойкостью обеспечили сырьевую базу для создания новых однослойных коронок для бурения геологоразведочных скважин в породах в породах VII-IX категории по буримости.

Следует отметить, что в последние годы этому вопросу уделялось мало внимания, поскольку интенсивно разрабатывались импрегнированные коронки для бурения в более твёрдых породах. Поэтому также замедлилось развитие теоретических разработок, являющихся основой проектирования новых конструкций однослойных коронок.

В то же время использование компьютерного моделирования позволяет более детально анализировать работу коронки на забое скважины по сравнению с использованием известных зависимостей. Авторами был разработан ряд компьютерных моделей, основанных на рассмотрении системы «коронка – забойная часть скважины». При этом каждый алмаз рассматривался как отдельный элемент единой системы, в которой происходят взаимосвязанные механические, тепловые и гидравлические процессы.

Такой подход позволяет выявить преимущества и недостатки той или иной конструкции коронки, поскольку даёт возможность более точно определить ряд параметров, характеризующих протекающие процессы:

– нагрузки, действующие на каждый алмаз при взаимодействии коронки с горной породой; – механические напряжения в алмазах, матрице и корпусе коронки с учётом действующей осевой нагрузки и крутящего момента;

– поле скоростей жидкости при промывке забоя с учётом вращения коронки; – температуру на контакте алмазов с породой и температурное поле в алмазе, матрице и теле коронки с учётом циркуляции промывочной жидкости на забое скважины.

Предложенный подход использовался при создании коронок БСО-1 (рис. 1), прошедших предварительные испытания в производственных условиях и показавших лучшие результаты по сравнению с серийными коронками 01А3: повышение механической скорости бурения в 1,67 раза и увеличение проходки на коронку в 1,64 раза.

© А. А. Каракозов, М. С. Попова, C. Н. Парфенюк, Р. К. Богданов, А. П. Закора, 2014


133

Рис. 1. Опытный образец коронки БСО-1 Отличительной особенностью коронки БСО-1 является четырёхрядная радиальная

раскладка алмазов, что, по сравнению с коронками с большим количеством рядов в секторе, позволяет снизить усилия, действующие на наиболее нагруженные алмазы, и улучшить очистку забоя от шлама, исключая возможность его скопления под сбегающей частью сектора. При этом минимальные размеры сектора, а, следовательно, и количество радиальных рядов в нем изначально искусственно ограничивались возможностями технологии изготовления коронки. В связи с этим коронка БСО-1 представляет собой некий компромиссный вариант конструкции, испытания которой показали приемлемость используемых расчётных моделей при создании нового породоразрущающего инструмента.

Поэтому были продолжены исследования с целью создания новых эффективных однослойных алмазных коронок. В процессе этих исследований рассматривались только коронки с радиальной раскладкой, которая общепризнано считается наиболее рациональной.

Ещё в процессе работы над коронкой БСО-1, когда исследовалось влияние количества радиальных рядов на протекание забойных процессов, было установлено следующее.

Толщина слоя породы, снимаемая алмазом, зависит от его положения в секторе, количества алмазов и типа их радиальной раскладки в коронке. Нагрузка на алмазы первого и второго радиальных рядов сектора может превышать нагрузку на последующие ряды сектора в 2–5 раз, причем, чем больше рядов в секторе, тем больше эта разница. Для определённых радиальных раскладок нагрузка и на первые два ряда сектора распределяется неравномерно. Одинаковая толщина слоя породы, снимаемого каждым алмазом, характерна только для коронок с двумя радиальными рядами в секторе, при этом толщина снимаемого слоя породы равна углубке алмазов в породу при статическом вдавливании [1–3]. Следовательно, эти коронки имеют значительный резерв увеличения осевой нагрузки и повышения механической скорости бурения. При этом из-за равномерного распределения нагрузок на алмазы можно рассчитывать на их равномерный износ, что также влияет на повышение ресурса коронки.

Неравномерный нагрев алмазов сектора определяется не только забойной мощностью, реализуемой каждым алмазом и зависящей от его положения в секторе, но и особенностями циркуляции жидкости в промывочных каналах коронки и под её торцом. Наибольшая мощность реализуется алмазами первых двух радиальных рядов. Однако алмазы первого радиального ряда многорядного сектора сильнее омываются промывочной жидкостью и, следовательно, охлаждаются лучше, чем более отдаленные от промывочного канала алмазы второго радиального ряда. Поэтому алмазы второго радиального ряда каждого сектора подвергаются наибольшему нагреву и износу, и при прочих равных условиях они первыми будут выходить из строя. Использование в коронке секторов с двумя радиальными рядами позволяет обеспечить контакт алмазов каждого из рядов с жидкостью, движущейся по двум соседним промывочным каналам.


134

Кроме того, поскольку при большой длине сектора повышается вероятность скапливания шлама под его сбегающей частью, то с этой точки зрения также желательно уменьшать количество радиальных рядов в секторе коронки. Поэтому уменьшение числа радиальных рядов в секторе до двух вообще исключает эту проблему и способствует более качественной очистке забоя от шлама, в том числе и за счёт увеличения числа промывочных окон.

В связи с этими предпосылками для коронок с четырёхрядными и двухрядными секторами было проведено сравнительное моделирование методом конечных элементов гидравлических и тепловых процессов, некоторые результаты которого приведены в табл. 1 и на рис. 2–3. Моделировались коронки диаметром 93 мм с одинаковым количеством алмазов в коронке – 216.

Таблица 1. Максимальная температура (С) нагрева алмазов сектора

Частота вращения, об/мин Количество радиальных рядов в секторе

Подача жидкости, л/мин 600 400 200

40 579 436 241 4

70 513 377 189 40 457 132 78

2 70 430 114 65

Результаты моделирования подтверждают первоначальные предположения о

перспективности использования однослойных алмазных коронок с двумя рядами в секторе. Кроме равномерного распределения нагрузки на алмазные резцы и лучшей очистки забоя от шлама имеется ещё одно преимущество: при равных условиях максимальная температура нагрева алмазов коронки диаметром 93 мм с двумя радиальными рядами в секторе в 1,3-3 раза меньше чем у коронки с четырьмя радиальными рядами (табл. 1). При этом разница температур алмазов разных коронок снижается с ростом частоты вращения, оставаясь, однако, на достаточно существенном уровне (80-120С). Несмотря на это, коронки с двухрядной раскладкой всё-таки имеют ресурс для форсирования режимов бурения, что позволит повысить механическую скорость проходки скважины.

Отличительной особенностью распределения температур в двухрядной коронке является более выраженный нагрев периферийных алмазов, обусловленный более высокими окружными скоростями резания. В связи с этим, в реальных конструкциях коронок на периферийных линиях резания рекомендуется устанавливать более термостойкие алмазы.

Учитывая возможную перспективность двухрядных коронок для внедрения в практику буровых работ, был проведен анализ их эффективности в зависимости от следующих конструктивных параметров (рис. 4а): расстояния между рядами алмазов (Lр), длины сектора (Lс), длины окна промывочного канала (Lk). В результате проведенных расчётов были определены следующие рациональные соотношения между конструктивными параметрами коронки [4]:

– Длина окна промывочного канала равна расстоянию между рядами алмазов (Lk=Lр); – Длина сектора равна трем длинам окна промывочного канала (Lс=3Lk); – Сумма длин сектора и окна промывочного канала находится в пределах 5-5,5 диаметров объёмных алмазов (Lс+Lk=55,5dа).

С использованием этих соотношений были разработаны конструкции алмазных коронок диаметром 59, 76 и 93 мм. Пример объёмной модели алмазной коронки диаметром 59 мм, выполненной в соответствии с приведенными рекомендациями, показан на рис. 4б.


135

а

б

Рис. 2. Результаты моделирования течения жидкости на забое: а – для коронки с четырьмя радиальными рядами в секторе; б – для коронки с двумя радиальными рядами в секторе.

а

б

Рисунок 3. Результаты моделирования тепловых процессов на забое скважины для алмазных коронок с четырьмя и двумя радиальными рядами в секторе (подача жидкости 70 л/мин) при частоте вращения: а –

600 об/мин; б – 400 об/мин.


136

Выводы

1. Результаты моделирования тепловых и гидравлических процессов на забое показывают преимущество однослойных алмазных коронок с двумя радиальными рядами в секторе по сравнению с аналогичными многорядными коронками.

2. При равных условиях максимальная температура нагрева алмазов коронки диаметром 93 мм с двумя радиальными рядами в секторе в 1,3-3 раза меньше чем у коронки с четырьмя радиальными рядами, при этом разница максимальных температур алмазов разных коронок снижается с ростом частоты вращения, оставаясь, однако, на достаточно существенном уровне (80-120С).

3. Определены рациональные соотношения между конструктивными параметрами коронки с двумя радиальными рядами алмазов в секторе, позволившие разработать конструкции коронок диаметром 59, 76 и 93 мм, технико-экономические показатели эксплуатации которых (по теоретической оценке) должны превосходить результаты, полученные для коронки БСО-1.

а

б

Рис. 4. Алмазная однослойная коронка с двумя радиальными рядами алмазов в секторе: а – конструкция торца коронки; б – объёмная модель коронки диаметром 59 мм (1 – корпус; 2 – матрица; 3 –

промывочный канал; 4 – объёмные алмазы; 5 – сектор).


1. Каракозов А.А. Моделирование работы алмазных резцов однослойных коронок на забое и оценка влияния схемы раскладки алмазов на механическую скорость бурения / А.А. Каракозов, М.С. Попова, C.Н. Парфенюк, Р.К. Богданов, А.П. Закора // Наукові праці ДонНТУ, серія «Гірничо-геологічна». Випуск 16 (206). – Донецьк, ДонНТУ, 2012. – С. 162–166.

2. Каракозов А.А. О процессе взаимодействия алмазов с забоем скважины при работе однослойных коронок / А.А. Каракозов, М.С. Попова, Р.К. Богданов, А.П. Закора // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. – Вып. 14. – К.: ИСМ им. В. Н. Бакуля, НАН Украины, 2011. – С. 78–85.

3. Каракозов А.А. Определение максимальной углубки алмазных резцов однослойных коронок с радиальной раскладкой / А.А. Каракозов, М.С. Попова, C.Н. Парфенюк, Р.К. Богданов, А.П. Закора // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения / Сб. науч. тр. – Вып.15, – Киев: ИСМ им. В. Н. Бакуля, НАН Украины, 2012. – С. 203–206.

4. Патент на корисну модель 91720 UA, МПК E21В 7/00. Алмазна одношарова бурова коронка [Текст] / Каракозов А.А., Попова М.С., Богданов Р.К., Закора А.П. ; заявник і патентовласник Донецький національний технічний університет. – № u201402067 ; заявл. 28.02.14 ; опуб. 10.07.14, Бюл. № 13. – 3 с. : ил.



137

А. А. Каракозов1, М. С. Попова1, C. Н. Парфенюк1, Р. К. Богданов2, А. П. Закора2 1 Донецкий национальный технический университет, Донецк, Украина 2 Институт сверхтвёрдых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины, Киев, Украина

Результати досліджень алмазного породоразрушающего інструменту для колонкового буріння свердловин на основі синтетичних монокристалів з підвищеною термостійкістю

Наведено порівняльний аналіз одношарових алмазних коронок з двома і чотирма радіальними рядами в секторі, який базується на результатах досліджень, виконаних при розробці коронок БСО-1, оснащених синтетичними монокристалами зернистістю 1600/1250 мкм з підвищеною термостійкістю. Показані конструктивні особливості та переваги коронок з дворядною розкладкою алмазів в секторі.

Ключові слова: аналіз, алмазна коронка, розкладка алмазів.

Karakozov A.1, Popova M.1, Parfenyuk R.1, Bogdanov R.2, Zakora A.2 1 Donetsk National Technical University, Donetsk, Ukraine 2 Institute of superhard materials to them. VN Bakul NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine

The results of studies diamond rock-breaking tool for core drilling based on synthetic single crystals with high thermal stability

A comparative analysis of single-layer diamond crown with two and four radial rows in the sector, based on the results of research carried out in developing crowns SSR-1, equipped with synthetic single crystals grit 1600/1250 mm with high thermal stability. Showing structural features and advantages of the crown with double diamond layout in the sector.

Keywords: analysis, diamond drill bits, diamond layout.

ISSN 2073-9575. Наукові праці ДонНТУ. Серія «Гірничо-геологічна». № 1(20)’2014.

138

Зміст

Жикаляк М. В. Л. І. Лутугін – поет і натхненний скульптор Донецького басейну.......................................3–7

Колесник Н. А. Применение усовершенствованной методики для оценки вариации положения границы мульды.......................................................................................................................8–13

Грищенков А. Н., Грищенков Н. Н. Определение вероятности необнаружения грубых угловых и линейных ошибок, не выявленных невязками в ходах различной конфигурации и протяженности ...........14–18

Шубин Ю. П. Результаты геоархеологических исследований на территории древних медных рудников Донбасса ................................................................................................................19–23

Кесарийская И. Ю., Карали М. Д. Характеристика обрушаемости, устойчивости и крепости углевмещающих пород Донецкого бассейна...............................................................................................................24–27

Выборов С. Г. Динамика загрязнения почв в связи отходами углеобогащения ......................................28–37

Седова Е. В., Шеремет Е. М. Сравнение протерозойских редкометальных гранитов Украинского щита с протерозойскими редкометальными гранитами мира .......................................................38–48

Южанин И. А., Колдунов И. А., Терлецкий А. М. Инструментальные исследования проявления горного давления в шахтных стволах ....................................................................................................................................49–56

Волкова Т. П., Антропова Е. С. Закономерности распределения природной газоносности на поле шахты «Октябрьский рудник» Донецко-Макеевского углепромышленного района .................57–62

Калиниченко О. И., Малеев В. Б., Сёмка В. И. Инженерная оценка условия согласованной работы клапанного распределителя гидродвигателя погружного поршневого насоса ...............................................................63–69

Малеев В. Б., Скорынин Н. Й., Калиниченко О. И., Кожевников Д. В. Оценка границы устойчивой стабилизации установок типа УМБ на морском дне .......70–73

Корчемагин В. А., Корчемагин Д. В., Черныш О. Г. Поля напряжений и деформаций Тюрингского Леса.........................................................74–79

Кожевников А. А., Дычковский Р. Е., Судаков А. К. Геолого-технические условия оборудования гидрогеологических скважин криогенно-гравийными фильтрами .....................................................................................80–89

Садовенко И. А., Инкин А. В., Рудаков Д. В., Хрипливец Ю. В. Моделирование работы теплового модуля в условиях ликвидируемой шахты..............90–96

ISSN 2073-9575. Наукові праці ДонНТУ. Серія «Гірничо-геологічна». № 1(20)’2014.

139

Назимко В. В., Янжула О. С., Захарова Л. М. Обґрунтування необхідності оперативного управління проектом розвідки малоамплітудної порушеності виїмкових стовпів ...........................................................97–103

Гречихин Л. И., Шевцов Н. Р., Купенко И. В., Куць Н. Г. Физика горения и взрыва метановоздушной смеси и угольной пыли .........................104–112

Никитенко А. В. Поля напряжений западного замыкания Горловской антиклинали Донбасса и стадийность их развития ..................................................................................................113–121

А. А. Каракозов, С. Н. Парфенюк Результаты разработки гидроударников двойного действия с дифференциальным поршнем для бурения скважин различного целевого назначения ...............................122–131

А. А. Каракозов, М. С. Попова, C. Н. Парфенюк, Р. К. Богданов, А. П. Закора Результаты исследований алмазного породоразрушающего инструмента для колонкового бурения скважин на основе синтетических монокристаллов с повышенной термостойкостью ........................................................................................132–137

Научные труды ДонНТУ. Серия: Горно-геологическая

Documents

Transcript of Научные труды ДонНТУ. Серия: Горно-геологическая