Файл: Волков В.Н. Генетические основы морфологии угольных пластов.pdf

Т а б л и ц а 5

*

залежи для тех же условии изменения влажности, что даны в табл. 4,

J — объем п о р ; 2 — объем твердых частпц

рассчитанные разными путями, получаются близкими. Отчетливо проявляется также нелинейный характер изменения усадки в ряду торф — уголь, что подтверждается всеми исследованиями. Заметим, что нелинейный облик кривой уплотнения в процессе обезвоживания под нагрузкой относится не только к торфу, но и осадочным (рис. 17), главным образом глинистым породам [89, 132, 247, 253].

Используя связь усадки грунтов с изменением их пористости под нагрузкой, ряд исследователей [103, 202, 247, 253] вычислили

32

таблицы и графики усадки в зависимости от глубины погружения изучаемой залежи (рис. 18). _

Своеобразный подход к определению усадки залежей предложен Ф. Фалини [194], изучавшим залежи третичных землистых бурых углей Италии с влажностью до 50—70%. Он определяет усадку торфа, основываясь на связи между сокращением мощности залежи и изменением коэффициента пористости торфяной массы под дей­

20. Соответственно для бурых углей приняты значения влажности 50—70% и коэффициента пористости 1—2. Вначале Ф. Фалини определяет изменение коэффициента пористости под действием наг­ рузки (рис. 19, А). Из расчета следует, что коэффициент пористости молодого торфа, равный 20, при нагрузке до 9 кг/см2 уменьшается до 2 (что отвечает изучаемым бурым углям). Далее анализируется сжимаемость торфа (g), под которой Ф. Фалини понимает отношение относительного изменения мощности залежи в результате ее сок­ ращения к изменению нагрузки, вызвавшей это уменьшение мощ­ ности (рис. 19, Б). Формула сжимаемости следующая:

3 з а к а з 172

Пользуясь графиком (см. рис. 19, Б), определяем, что при изме­ нении нагрузки от нуля (поверхностный торф с влажностью 95% и коэффициентом пористости 20) до 9 кг/см2 (что отвечает землистым бурым углям с влажностью 50—70% и коэффициентом пористости

механические уплотнения массы из-за потерь воды, но и сложные физико-химические преобразования самого твердого вещества, глу­ бокая перестройка его внутренней структуры, которые ведут к его частичной потере. Все это в конечном счете выражается в уменьше­

с учетом названных выше факторов. Полученные им результаты до сих пор не потеряли своего значения. Дж. Уэллер, изучавший проблему уплотнения осадков, специально касается усадки в ряду торф— уголь [247]. В основе построенного им графика усадки лежат сле­ дующие положения: 1) содержание влаги в угле можно считать примерной величиной оценки его пористости; 2) потери вещества на торфяной стадии составляют 25% ; 3) объемный вес увеличивается от 1,0 для торфа (с пористостью 90%) до 1,4 у антрацита; 4) потерн вещества, начиная с лигнита и далее, составляют половину величины потери летучих веществ (рис. 20). Подобного типа расчеты усадки торфяных залежей приводятся и в ряде других работ [197, 205, 217].

Для получения более полной картины процессов уплотнения вещества п сокращения объемов залежей следует кратно остано­ виться на существующих представлениях об изменении внутренней (ультратонкоп) структуры углей в процессе углефикации на основе рентгеноструктурного анализа.

Рассматривая несколько моделей кристаллической структуры углей на разных стадиях углефикации, Ван-Кревелен [214] отдает

34

предпочтение модели Хирша, построенной с учетом данных Рнллея. Согласно этой модели структура угольного вещества на разных стадиях углефпкащш обусловлена изменением размера и степени упорядоченности угольных молекул (ламеллей) поликонденсатного ароматического состава, имеющих облик дисков. Различается три типа структур :

1) угли с содержанием углерода до 85% . В этом случае молекулы связаны поперечными связями (cross-links), характеризуются беспорядочной ориентировкой, высокой пористостью межмолеку­ лярного пространства;

2)угли с содержанием углерода 85—91%. Молекулы характе­ ризуются некоторой ориентировкой, образуя кристаллиты, состо­ ящие из 2-х и более ламеллей. Число поперечных связей значительно уменьшено. Пористость практически отсутствует;

3)угли с содержанием углерода более 91% («антрацитовая струк­ тура»). Высокая степень ориентировки молекул. Поперечные связи

отсутствуют.

Как видно, исследования ультратонкой структуры углей опре­ деленно указывают на уплотнение вещества, что ведет к сокращению его объемов. Прямых расчетов определения степени уплотнения не проводилось, хотя их возможность в принципе не исключена. Однако изменения внутренней структуры угольной массы в опре­ деленной степени отражаются на величинах ее объемного и удель­ ного веса, которые и могут быть использованы в наших рас­ четах.

в) Выбор стадий превращения торфяной и угольной массы. При определении усадки залежей необходимо иметь четкое представле­ ние об исходном состоянии вещества, принимаемого в качестве начальной стадии развития в ряду торф—уголь. Речь идет о сокра­ щении мощных (от 5—10 м и более) залежей торфа, которые давали начало угольным пластам, имеющим практическое значение. К со­ жалению, современные торфяные залежи мало отвечают таким условиям и во многом приходится делать допущения.

В разрезе формирующейся мощной торфяной залежи можно наблюдать горизонты, отличающиеся разной обводненностью, нео­ динаковым состоянием веществами др., что в конечном счете приводит к различной степени уплотнения массы по разрезу пласта. Верхние слои торфяника представлены рыхлой сильно обводненной слаборазложенной растительной массой, которую можно назвать молодым торфом.Вниз по разрезу залежи под действием нагрузки верхних слоев и в результате внутренних преобразований биомассы торф уплот­ няется, становится зрелым. Наконец, нижние слои мощной залежи сложены наиболее плотным «старым» торфом. Прекращение про­ цесса формирования торфяника (связанное с его затоплением) при­ водит к погребению залежи. В результате появления дополнитель­ ных нагрузок торф продолжает уплотняться более равномерно по разрезу. Тем не менее первичная неравномерность в степени уплот­ ненности разных его горизонтов остается.

В качестве исходной стадии при расчетах усадки залежей как геологических тел в ряду торф—уголь следует принимать стадию

При условии расчета усадки залежей в ряду торф—уголь, начи­ ная со зрелого плотного торфа, с момента перехода торфяника в торфяной пласт, как будто бы упускается пз виду целая стадия превращения вещества, а именно: превращение рыхлой слаборазложеннои биомассы или молодого поверхностного торфа в зрелый уплотненный торф, на что указывает А. И. Егоров [50]. Действи­ тельно, сокращение объемов на этой стадии развития торфяника весьма значительно. Однако величины усадки в этом случае будут относиться не к мощности торфяной залежи в целом, а к исходной растительной массе, отлаѴающеися в самой верхней части торфя­ ника .

Усадку на этой ранней стадии, отражающей процессы уплотне­ ния биомассы в верхней половине разреза мощной торфяной залежи, до ее превращения в пласт следует определять отдельно от расчетов сокращения мощности залежей торфа в целом при их переходе в угольные пласты. Неправильно предполагать существование мощных залежей, нацело сложенных рыхлым, сильно обводненным поверх­ ностным торфом, поскольку таких мощных залежей не существовало. Фактически существовали мощные торфяники, няТюверхности кото­ рых в каждый момент отлагался небольшой слой биомассы, превра­ щавшейся в молодой торф и переходящей нпже по разрезу в зрелый уплотненный торф. I I впоследствии залежи, сложенные главным образом таким торфом, превращались в пласты угля.

Безусловно, если иметь в виду пе усадку торфяной залежи в це­ лом, как геологического тела при ее превращении в пласт бурого или каменного угля, а усадку какого-то определенного объема исходной биомассы из верхней части разреза торфяника, то тогда можно говорить о едином ряде цифр, отражающих последователь­ ное уплотнение, начиная от этого начального состояния до угля любой степени метаморфизма. Однако это на будет отвечать сокра­ щению мощности пластов.

РІтак, мы рассматриваем отдельно: 1) усадку торфяника на ран­ ней стадии его развития, отвечающей интервалу: исходная рыхлая сильно обводненная поверхностная торфяная масса (Тп о в .) — уплот­

цита (А). Расчет усадки заключается в определении: а) сокращения

36