Б. В. Смирнов, Б. Д. Трунов, В. Н. Труфанов, И. А. Шамрай. Литолого-петрографические особенности пучащих пород восточного Донбасса

В горных выработках ряда шахтных полей Донбасса породы почвы угольных пластов нередко испытывают весьма своеобразную деформацию, известную под названием «пучение». Последнее серьезно сказывается на эффективности горпо-эксплуатационных работ. Установление склонности углевмешаю-щих пород к пучению в горных выработках имеет большое практическое значение. В связи с решением этой задачи в пределах Гуково-Зверевского района Донбасса нами проведены некоторые литолого-минералогические исследования пород почвы угольных пластов k₂, k₂¹, k^1в₅, k₆ и l₆ -l₆^н. Особенно детально были изучены породы, непосредственно подстилающие пласт l₆ - l₆^н характеризующиеся относительно высокой склонностью к пучению, а также почва пласта k₂, склонная к пучению при прочих равных условиях в значительно меньшей степени. При исследованиях особое внимание уделялось минералогическому составу и мощности пород непосредственной почвы угольного пласта, глубине расположения горных выработок.

Максимальная глубина отработки пласта k₂ в настоящее время достигает порядка 500 м (шахта 19/20). Отработка угольного пласта l₆ - l₆^н, ведется на глубинах от 200 м (шахта Алмазная № 4) до 600 м (шахта Гуковская № 3). Склонность пород почвы пласта l₆ - l₆^н к пучению стала проявляться с глубины 180-250 м (шахта им. 50 лет Октября). Наиболее интенсивное пучение наблюдается на шахте № 25. Там подобные деформации в почве начались с глубины 350 м (промежуточный штрек № 5). В настоящее время они еще более интенсивно происходят на глубине 500 м (откаточный штрек № 13), несмотря на то, что ширина охранных целиков на нижних горизонтах была увеличена до 30 м (при ширине их до 15-20 м на верхних горизонтах). Зона распространения этого типа наименее устойчивых пород располагается к западу от линии расщепления пласта, т. е. в сторону, противоположную направлению расщепления. На глубине 500 м (откаточный штрек № 13) пучение почвы распространяется на 300-350 м и к востоку от линии расщепления пласта.

Мощность аргиллитов, слагающих непосредственную почву пласта k₂, меняется в пределах от 1 до 5 м, изредка достигая 9-10 м. Мощность этих же пород почвы пласта l₆ - l₆^н колеблется от 0,7 м до 3 м.

Литолого-петрографические исследования в основном заключались в микроскопическом изучении образцов. При этом, кроме минералогического состава и структурно-текстурных особенностей, устанавливались количественные соотношения между алеврит-песчанистой кластической и глинистой составляющими, а также содержание остатков органического вещества и характер его распределения в породе. Для точной диагностики глинистых минералов применялись специальные исследования, включающие рентгенографию, термографию и электронную микроскопию. Определялись также содержания поглощенных основания и химический состав водных вытяжек.

В результате проведенных исследований установлено, что наибольшим количеством тонкодисперсного растительного материала характеризуются породы почвы пласта l₆ - l₆^н в зоне расщепления его на пачки l₆^н - l₆^в. Здесь же наибольшее распространение имеет пирит, развивающийся в виде тонких фрамбоидальных и сростковых выделений часто по растительным остаткам, нередко встречается сидерит. Из глинистых минералов в составе свежих неизмененных пород почвы угольных пластов резко преобладают гидрослюды. В подчиненном количестве присутствует каолинит. Это же подтверждается электронномикроскопическими исследованиями пород.

Основная масса тонкодисперсных минералов па участках с непучащей почвой шахты Гуковской № 25, по данным исследований, на электронном микроскопе представлена резко ограниченными удлиненно-чешуйчатыми кристаллитами гидрослюды и обломками каолинита псевдогексагональной формы. Размеры частиц достигают 0,2-1,2 мк. На участках интенсивного пучения наблюдается сильная гидратация гидрослюды, диспергация ее сростков с уменьшением размеров отдельных чешуек и образованием колломорфных агрегатов.

В пределах поля шахты № 25 выделяются 3 участка с разной степенью гидратации гидрослюд. Участок интенсивной гидратации шириной порядка 1 км, прирученный к зоне расщепления пласта l₆, выделяется в центральной части шахтного поля. Здесь в тонкодисперсной фракции пород под электронным микроскопом отчетливо различаются облачные скопления мельчайших (0,01-0,05 мк) чешуек разрушенной гидрослюды с неровными, расплывчатыми ограничениями. В отличие от неизмененных пород их электроннограммы характеризуются не точечными, а плохо выраженными кольцевыми рефлексами, сопоставимыми с рефлексами монтмориллонитовых агрегатов.

Два других участка со слабой гидратацией гидрослюд фиксируются у восточной и западной границ шахтного поля.

Значительные изменения дает также водородный показатель рН водных вытяжек. Из пород почвы на различных участках он меняется от нейтральных значений до щелочных. В частности, в водных вытяжках из склонных к пучению пород почвы пласта l₆ - l₆^н значения рН достигают 8,2-8,5.

Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод, что основными факторами, определяющими интенсивность пучения пород почвы пласта l₆ - l₆^н в Гуково-Зверевском районе, являются особенности их минералогического состава. Минералогические особенности пучащих пород заключаются в преимущественно гидрослюдистом составе глинистых минералов, повышенном содержании тонкодисперсного растительного материала и особенно в высокой пиритизации пород.

Не вызывает сомнения, что в результате взаимодействия подземных вод с сульфидами железа образуются локальные зоны циркуляции агрессивных шахтных растворов, которые обусловливают отмеченные процессы интенсивной гидратации гидрослюд вплоть до их монтмориллонитизации.

Таким образом, одной из основных геологических предпосылок для прогнозирования зон интенсивного пучения может служить наличие площадей с расщепляющимися угольными пластами. Породы почвы на этих участках характеризуются повышенными содержаниями растительных остатков и сульфидов железа, разложение которых является причиной перехода гидрослюдистых компонентов глинистой фракции пород в неустойчивые монтмориллонитовые агрегаты, склонные к пучению.