Характеристика геологического строения Донецко-Макеевского угленосного района Донбасса

1.1. Общие сведения. Донецко–Макеевский угленосный район находится в пределах Донецкой области Украины и входит в состав Марьинского, Донецкого, Макеевского, Авдеевского и Харцызского административного районов. Площадь района составляет 3170 км².

Большая часть района расположена на южном склоне главного донецкого водораздела в области верховьев рек, текущих на юг к Азовскому морю (Кальмиус, Крынка), на запад к Днепру (Волчья) и на север к Северскому Донцу (Кривой Торец). Наиболее высокие отметки поверхности до +280 м наблюдаются в северо–восточной части района у ст. Криничная, минимальные (+90 м) – в долинах рек Крынки и Кальмиус.

В районе интенсивно развиты угольная, металлургическая, машиностроительная, коксохимическая и другие отрасли тяжелой промышленности.

Наиболее крупными населенными пунктами являются города Донецк и Макеевка; кроме того, имеются многочисленные шахтные и заводские поселки городского типа.

Площадь района покрыта густой сетью железных дорог: г. Донецк связан с крупными промышленными центрами – Днепропетровском, Харьковом, Луганском и др.

Геологическая изученность. Начало геологического изучения Донецко-Макеевского района относится к первой половине XIX столетия. В 1892 г. группа сотрудников Геологического комитета под руководством Л.И.Лутугина приступила к геологической съемке Донецкого бассейна в масштабе 1:42000. По результатам этой съемки в 1926 г. были изданы листы геологической карты. Эти исследования положили начало систематическим геологоразведочным работам в районе, широко развернувшемся в советское время. В 1930-1940 гг. на всей открытой площади района проведена крупномасштабная геологическая съемка и созданы пластовые гипсометрические карты. В настоящее время эта площадь разведана до глубины 1200 - 1600 м от поверхности, в районе пробурено 3 скважины глубиной 3000м.

Геологическое строение. В геологическом строении Донецко-Макеевского района принимают участие отложения среднего и верхнего карбона, почти повсеместно перекрытые четвертичными и отчасти палеогеновыми отложениями. В крайней западной части района на размытой поверхности карбона залегают породы юрского и мелового возраста (рис.В.2).

Нижнекаменноугольные отложения распространены за пределами Донецко-Макеевского района и их выходы окаймляют район по его южной окраине.

Среднекаменноугольные отложения, залегающие согласно на породах нижнего карбона, имеют следующие характерные особенности:

· Литологический состав отложений преимущественно алевролито-аргиллитовый (64-79%)

Рис.1.2 Схематическая геологическая карта Донецко-Макеевского угленосного района

1 - палеоген; 2 – юра; 3 – граничные известняки свит карбона; 4 – разрывные нарушения; 5 – шахты (вертикальные и наклонные); 6 – линии разрезов.

c подчиненными значением песчаников (19-34%), известняков (0,6-3,0%) и углей (0,25-2,2%);

· Залегание свит согласное, без перерывов, имеются внутриформационные размывы;

· Отмечается зависимость степени промышленной угленосности отдельных свит (кроме свиты C₂⁴) от относительного содержания песчаников: в основных угленосных свитах С₂³,С₂⁵ и С₂⁶ песчаники составляют 32-34%, в менее угленосных свитах – С₂¹, С₂² и С₂⁷ – 19 – 20%;

· Мощности свит последовательно и закономерно увеличиваются в направлении с юго-запада, где суммарная мощность свит составляет 1800-1900 м, на северо-восток, где она равна 3400-3450м.

Для верхнекаменноугольных отложений характерно:

· Согласное залегание на породах свиты С₂⁷;

· Появление в разрезе красноцветных глинистых пород, слагающих мощные слои особенно в средней и верхней частях разреза;

· Резкое снижение степени угленосности.

Мезозойские отложения залегают на размытой поверхности карбона с явным угловым несогласием. Эти отложения очень слабо дислоцированы, представлены рыхлыми осадками нижнеюрского и верхнемелового возраста и развиты в виде неширокой полосы под палеогеновыми породами в осевой части Волчанской синклинали (рис.В.3).

Юрские отложения представлены глинистыми и песчаными породами: слабо сцементированными песчаниками, кварцитами, конгломератами, изредка встречаются углистые песчано-глинистые прослои, линзы и конкреции сидеритов, а также прослои глинистых слабодоломитизированных известняков.

Верхнемеловые осадки залегают на размытой поверхности юрских отложений. Они представлены глауконитовыми песками с редкими конкрециями фосфоритов, спонголитами, сменяемыми кверху последовательно белым мелом и толщей зеленовато-серых мергелей. Мощность меловых отложений непостоянна и изменяется от 8 до 80 м.

Отложения палеогена и неогена залегают на размытой поверхности мезозойских и палеозойских осадков с резким угловым несогласием на севере и западе района.

Четвертичные отложения почти повсеместно покрывают площадь района, за исключением некоторых речных долин, верховьев балок и оврагов, в крутых бортах которых обнажаются коренные породы.

Рис.В.3 Схематическая тектоническая карта Донецко-Макеевского района (по М.Л.Левенштейну)

1 - граничные известняки карбона; 2 – разрывные нарушения; 3 – выходы свиты С₂³; 4 – выходы свиты С₂⁶; 5 – оси антиклиналей; 6 – оси синклиналей.

Донецко-Макеевский район расположен на южном крыле Кальмиус-Торецкой котловины, охватывающей всю юго-западную часть Донецкого бассейна. Общее падение слоев карбона северо-западное, в среднем 12-18⁰. Лишь на крыльях дополнительных складок или вблизи нарушений встречаются более крутые углы падения, иногда до 70⁰. Углы падения постепенно уменьшаются к оси Кальмиус-Торецкой котловины.

Западная часть Донецко-Макеевского района от р. Волчьей до р. Кальмиус характеризуется наиболее простым тектоническим строением и отличается спокойным залеганием пластов, незначительными разрывными нарушениями, падением пластов на север и северо-запад под углом 10-15⁰ (рис.В.3).

Центральная и особенно восточная части района отличаются сложным тектоническим строением, что выражается в интенсивном проявлении и разрывных дислокаций двух направлений: субширотного и субмаридионального.

Поперечные флексурные складки расположены почти перпендикулярно к основной складчатости Донбасса. К ним относятся Калиновская, Ясиновско–Ждановская, Ветковская, Чайкинская флексуры и слабее выраженные Петровская, Моспино–Иловайская и др.

В рассматриваемом районе широко распространены разрывные нарушения, в подавляющем числе представленные надвигами. Намечаются три основные группы надвигов, характеризующиеся определенными морфологическими признаками и ряде случаев обнаруживающие генетическую связь со складчастью.

К I группе относятся надвиги субширотного простирания с северо–восточным и юго– западным падением сбрасывателей, образование которых связано с формированием основной линейной складчатости Донбасса. К этой группе относятся наиболее крупный в районе Мушкетовский надвиг, имеющий падение сместителя на северо – восток.

Ко II группе надвигов, наиболее развитых в Донецко–Макеевском районе, относятся надвиги субмеридионального простирания с северо–западным падением сбрасывателя. К указанной группе относятся надвиги: Французский, Калининский, Тимошенко и другие менее значительные.

III группу составляют надвиги с падением на юго–восток. К ним относятся: Первомайский, Ясиновский, Итальянский, Марковский и Дулинский.

Угленосность. В Донецко–Макеевском угленосном районе толща карбона включает все свиты среднего и нижние свиты верхнего отдела. Наиболее угленосными в районе являются свиты С₂³,С₂⁵,С₂⁶ и С₂⁷. В свитах С₂¹, С₂², С₂⁴ встречаются угольные пласты, достигающие рабочей мощности, однако их промышленное значение весьма ограничено. Свита С₃¹ содержит только один угольный пласт рабочей мощности. В свите С₃² угольные пласты промышленного значения не имеют (табл.В.2).

Основные угольные пласты (11) сохраняют рабочую мощность на большей части площади. Пласты, имеющие ограниченное промышленное значение (21), сохраняют рабочую мощность на значительно меньшей площади. Остальные 23 угольных пласта достигают рабочей мощности на весьма ограниченных участках, вскрываются шахтами попутно, при разработке основных пластов.

Таблица 1.2

Мощность рабочих угольных пластов колеблется в широких пределах – от 0,45 до 1,3 – 1,6 м, повышаясь на отдельных небольших участках до 2,0 – 2,2 м.

Угольные пласты имеют преимущественно сложное строение; прослои достигают мощности от нескольких сантиметров до 0,3 – 0,5 м. Некоторые угольные пласты (h₁₀, k₈, l₁, n₁) расщепляются на две пачки, которые в дальнейшем прослеживаются как самостоятельные пласты. Угольные пласты h₇, m₃, n₁ на отдельных участках размыты, однако явления размывов для всего района нехарактерны и встречаются довольно редко.

Качество угля. В Донецко – Макеевском угленосном районе имеются угли всех марок от длиннопламенных на западе до тощих на востоке; особенно широко распространены и разрабатываются угли коксующих марок.

Угли района относятся преимущественно к гумусовым. Угли в основном клареновые с большим содержанием гелифицированного вещества. Подчиненное значение имеют фюзенизированные древесные ткани, споры, кутикула и смоляные тела. Последние распространены в пластах свиты С₂⁴ и верхней части свиты С₂³ .

Сапропелево–гумусовые угли встречаются весьма редко в виде тонких прослоев (0,05 – 0,1м) преимущественно в кровлях пластов h₃, h₅¹, h₇, h₁₀, k₆, l₃, и l₄. Среди сапропелево-гумусовых углей наиболее распространены кеннели и очень редко богхед – кеннели.

Содержание золы в углях района изменяется от 3 до 30%, серы – от 0,6 до 5,5%. Влажность рабочего топлива колеблется от 2,0 до 16%, выход летучих веществ зависит от марочного состава углей (от 40 – 46% для марки Д до 6 – 13% для марки Т). Низшая удельная теплота сгорания изменяется от 5480 (Д) до 6570 ккал/кг (Т). Высоким качеством отличаются угли пластов свит С₂³, С₂⁵. С₂⁶ и С₃¹, среди которых 12 пластов содержат до 1,5 % серы и до 15 – 18% золы.

Глубина зоны выветривания колеблется в разных частях района от 40 до 70 м.

Гидрогеологические условия. Водоносные горизонты в рассматриваемом районе заключены в отложениях каменноугольного, юрского, верхнемелового и палеогенового возраста. В четвертичных отложениях воды приурочены к аллювию и прослоям песков в суглинках.

В каменноугольных отложениях водоносными горизонтами являются песчаники и известняки. Их водообильность зависит от мощности, степени трещиноватости пород и структурных особенностей района.

Наиболее водоносными в районе являются известняки L₁, L₅, M₁,M₃; песчаники K₁Sk₁, K₂Sk₂¹, K₄²Sk₅, K₇SL₁, L₁Sl₁, L₅Sl₅, L₇Sl₇, N₃SN₄.

Обводненность горных выработок шахт района колеблется в широких пределах – от 5-7 м³/час до 485 м³/час.

Величины притоков воды в шахты могут кратковременно резко возрастать при подработке поверхностных водотоков, водоемов, зон тектонических нарушений или при первой посадке кровли на новых горизонтах.

Для района установлены некоторые закономерности изменения химического состава подземных и шахтных вод. С востока на запад в поверхностной зоне отмечается общее увеличение минерализации – сухой остаток изменяется от 0,5 – 1,0 до 4,5 г/л, в отдельных случаях до 9,6 г/л; увеличение общей жесткости от 5 – 10 до 40 мг∙экв, в отдельных случаях до 75 мг∙экв; изменение типа вод от гидрокарбонатных сульфатно–кальциево–натриевых до сульфатно–хлоридно– натриевых.

Горнотехнические условия эксплуатации. Добыча углей по Донецко-Макеевскому угленосному району ведется более 100 лет. Большинство действующих шахт являются вертикальными.

Горные работы в настоящее время ведутся преимущественно на больших глубинах – более 1000 м от поверхности. В районе преобладают пласты мощностью 0,65-0,9 м.

В кровле разрабатываемых пластов в большинстве случаев залегают глинистые сланцы (77%) и реже алевритовые сланцы (13%). Породы кровли преимущественно характеризуются средней устойчивостью.

Донецко-Макеевский угленосный район относится к районам Донбасса с наиболее высокой метанообильностью шахт. Сложная тектоника района обусловила крайне неравномерное распространение метана в угленосной толще. Глубина залегания верхней границы метановой зоны колеблется от 80 до 500 м от поверхности. Значительную роль в распространении природных газов в угленосной толще играют тектонические нарушения, которые в большинстве случаев служат экранами, затрудняющими дегазацию угленосной толщи.

Геотермические условия в районе довольно непостоянны. Наиболее высокие температуры наблюдаются в центральной части района на полях шахт Мушкетовских и «Глубокой», где геотермический градиент достигает максимальных величин по району: 35,3-36,8 град/км. К западу от Мушкетовского участка градиент уменьшается до 20,9 град/км, к северу – до 22,2 град/км (район ст. Ясиноватая) и к востоку до 16,6 град/км (на участке шахты «Ясиновской Глубокой»).