Анализ зависимости параметров литологического и химического состава каменноугольных отложений

Яновский В.М., Бахтарова Е.П. (ДонНТУ), Савчеко А. В. (УкрНТЭК), Дудик С.А. (ДонНТУ)

Исследованы зависимости между литологическими особенностями горных пород угленосной толщи Донбасса, установленные геофизическими методами, и их химическим составом. Рассмотрена возможность привлечения расчетных регрессионных моделей для восполнения недостающих параметров химического состава.

Сведения о химической характеристике угленосных отложенй позволяют уже на стадии разведки месторождений прогнозировать ряд свойств пород, которые важны для горных работ в угленосной толще: силикозоопасность; агрессивность шахтных вод в тех или иных толщах; газоносность; присутствие в породах химических элементов и их соединений, которые при разработке соответствующих технологий могут явиться предметом промышленной добычи.

Данные о вещественном составе углевмещающих горных пород способствуют также более углубленному изучению проблемы генезиса угленосных толщ.

В Донбассе получен огромный опыт изучения угленосных толщ геофизическими методами. Учитывая экспрессность и относительную дешевизну методов скважинной геофизики, комплексирование их с геологическим изучением угленосных толщ представляется весьма перспективным для достоверного и более углубленного изучения вещественных и физических характеристик горных пород.

Целью настоящей работы является анализ зависимостей между литологическими характеристиками и химическим составом горных пород угленосной толщи на основании геофизических данных и математического моделирования.

Литологический состав горных пород в Донецком бассейне достаточно уверенно прогнозируется комплексом геофизических методов [1], что объясняется тесной взаимосвязью геофизических полей с литологическими характеристиками пород. Физическая же основа прогноза химических свойств горных пород в Донбассе геофизическими методами менее надежна. В этой связи выяснение закономерностей связи литологического и химического составов – основа более достоверного прогноза указанных свойств пород ( прежде всего их химического состава) геофизическими методами.

В Донбассе все многообразие угленосных пород разделено на петрофизические типы по литологическому составу и гранулометрическим особенностям на основании методики, разработанной в Донбасской НПО «Союзпромфизика» [1,2]. В данной работе исследованы образцы различных типов горных пород свиты С13 из скважин 454 и 23183 (участок «Свиридовской», Западный Донбасс), охарактеризованных комплексом геофизических методов.

Угленосные породы Донбасса состоят в основном из трех компонентов: кластического (Скл), глинистого (Сгл) и карбонатного (Ск). Для наглядного графического отображения трехкомпонентной системы используются треугольные диаграммы литологического состава, стороны которых являются координатными осями кластического, глинистого и карбонатного компонентов. Любая точка внутри диаграммы соответствует определенному содержанию указанных компонентов, сумма которых составляет 100% [2].

Все неуглистые породы в Донецком бассейне по содержанию карбонатного материала разделены на следующие группы: с глинистым цементом (Ск=1-10%), с глинисто-карбонатным цементом (10-25%), с карбонатным цементом (25-50%), карбонатные породы и известняки с примесью терригенного материала (50-75%), карбонатные породы и известняки (75-100%).

Группы кластических пород разделены на подгруппы с определенным преобладающим размером обломочных зерен: 0.10-0,25 мм; 0,25-0,50 мм; 0,50-1,00 мм и более 1,0 мм. Группы глинистых и глинисто-алевролитовых пород разделены по отношению Сгл/Скл, равному соответственно более 3 и от 3 до 1.

В результате исследования выделено 28 петрографических типов пород, каждый из которых занимает определенное место на треугольной диаграмме. Там же по данным химического анализа построены эмпирические линии одинаковых содержаний SiO2, Al2O3, СО2, потери при прокаливании (ППП) и др. ведущих параметров химического состава.

Из-за неравномерного распределения выделенных типов пород в угленосных отложениях (преобладают породы с Ск=0-10%, менее распространены с Ск=10-100%). Не все петрофизические типы пород участка были опробованы, или опробованы в небольшом объеме. Это не позволяет произвести достоверную и непрерывную в поле диаграммы оценку содержаний ведущих химических окислов. Поэтому изучено соотношение параметров литологического и химического составов пород на основе математического моделирования.

В процессе моделирования (регрессионный анализ) параметры химического состава горных пород рассматривались как: Ri=f(Cкл, Сгл, Ск), где Ri – расчетное значение i-го химического параметра (%), Cкл, Сгл, Ск – процентное содержание а породе кластического, глинистого и карбонатного материала.

В расчетах использовались данные литологического состава 169 образцов различных петрофизических типов горных пород Свидовского участка. Анализ результатов расчетов показал, что во всех случаях регрессивные зависимости значимы ( коэффициент множественной корелляции составил от 0,84 до 0,94 при доверительной вероятности 99,99- 100%). Уравнения регрессии расчета четырех ведущих параметров вещественного состава выглядит следующим образом:

SiO2 = 66.46 + 0,142 Cкл + 0,103 Cгл + 0,577 Ск

Al2O3 = -10.31 + 0,193 Cкл + 0,294 Сгл + 0,158 Ск

СО2 = 31,86 - 0,317 Скл + 0,305 Сгл + 0,026 Ск

ППП = 24,79 + 0,219 Скл - 0,167 Сгл + 0,111 Ск

Расчетные значения параметров химического состава дополнительно вынесены в виде изолиний на ранее построенные треугольные диаграммы.

При анализе диаграмм выявляются следующие закономерности:

-Лучше всего совмещаются на диаграммах (по положению и направлению) эмпирические и расчетные изолинии содержаний SiO2 имеют, в отличие от расчетных, заметную кривизну.

-ППП слабо воспроизводятся расчетными методами в интервале высоких значений (при содержании Ск 70% и выше)

-Для Al2O3 наблюдается неудовлетворительная воспроизводимость при высоких содержаниях одновременно кластической и карбонатной составляющих, при Сгл 30%.

-Для песчанников (Скл 80%) наблюдаются заметные расхождения между изолиниями эмпирических и расчетных значений SiO2(SiO2>70%). Это связано с нелинейной зависимостью содержаний SiO2 от кластической составляющей (в области низких содержаний карбонатной составляющей, Ск=0,1-10%).

-Систематически занижается расчетное содержание СО2 в известняках.

Исследования петрофизических характеристик пород каменноугольных отложений свиты С13 участка «Свиридовский» позволили сделать следующие выводы:

-в целом наблюдается удовлетворительная сходимость эмпирических и расчетных значений компонентов химического состава горных пород свиты С13 (SiO2, Al2O3, CO2 ,ППП) в зависимости от их литологического состава.

-Расчетными методами возможно производить восполнение отдельных параметров химического состава, которые не определены химическим анализом из-за редкой распространенности некоторых петрофизических типов пород (например, смешанных глинисто-карбонатных образований). Восполнение возможно производить в непрерывном интервале значений, в автоматизированном режиме.

-Для получения достоверных расчетных значений параметров химического состава пород следует переходить к более сложным, более высоких порядков, математическим зависимостям.

-Используя комплекс геолого-геофизических методов, можно достаточно достоверно оценивать литологический состав пород по геофизическим данным, а затем осуществлять прогноз необходимых параметров химического состава.

Список литературы

1. Литологические и петрофизические исследования отложений антроцитовых месторождений Донбасса / В.В.Гречухин, Б.И.Воевода, А.В.Савченко и др. // Литология и полезные ископаемые. 1987, - №4. – С.53- 70.

2. Петрофизические исследования угленосных отложений Донецкого бассейна / В.В.Гречухин, Б.И.Воевода, В.Н.Дараган и др. //Сов.Геология, 1985. - №11. – С.89-101.

Яновский В.М., Бахтарова Е.П., Савченко А.В., Дудик С.А., 2001г.