Донецкий каменноугольный бассейн

Донецкий бассейн располагается на юге европейской части, в пределах Днепропетровской, Донецкой, Луганской областей Украины и Ростовской области России и занимает площадь 60 тыс. км² (в пределах Украины 50 тыс. км²). Он вытянут в субширотном направлении на 650 км при максимальной ширине до 200 км (рис. 9, 10). Бассейн является основной сырьевой и топливной базой Украины, промышленная добыча угля здесь ведётся с 1795 г. По качеству и технологическим свойствам угли бассейна весьма разнообразны и занимают весь метаморфический ряд от бурых до антрацитов. По общей добыче углей, в том числе коксующихся, бассейн занимает первое место в стране. В 1973 г. 268 шахт выдали 220 млн. т угля. Промышленная угленосность Донецкого бассейна приурочена к каменноугольной геосинклинальной угленосной формации краевого (передового) прогиба. Бассейн относится к полуоткрытому типу.

Рисунок 9 – Схематическая карта Донбасса

Стратиграфия и литология. В строении Донецкого бассейна принимают участие докембрийские, палеозойские, мезозойские и кайнозойские отложения (см. рис. 10, 11). На размытой поверхности кристаллических пород докембрия залегает мощная палеозойская толща, в составе которой выделяются девонские, каменноугольные и пермские отложения.

Девонские породы (верхнего отдела), мощностью 700—900 м, состоят из неугленосных карбонатно-вулканогенно-терригенных пород: известняков, сланцев, песчаников, туфов, базальтов и т. д. Выше согласно залегает угленосная формация карбона, подразделяемая на три отдела. В нижнекаменноугольных отложениях мощностью от 1300 до 3000 м

Отложения: 1 – перми, 2 – верхнего карбона, 3 – среднего карбона; 4 – свита С33; 5 – породы верхнего карбона; 6 – свита С2В; 7 - кристаллические изверженные и метаморфические породы; 8 – границы отделов и слоев; 9 – разрывные нарушения; 10 – направление падения слоев Рисунок 10 – Схематическая геологическая карта Донецкого бассейна (отложения мезозоя и кайнозоя сняты). По В.С. Попову

установлены породы всех трех ярусов: турнейского, визейского и намюрского. Турнейский и нижняя часть визейского ярусов состоят из морских известняков мощностью 300—500 м, переходящих выше в песчано-глинистую толщу с редкими пластами и слоями известняков и углей. Средний карбон, мощностью 2200— 7000 м, представлен преимущественно песчано-глинистыми породами, пластами известняков и углей. Эта часть разреза характеризуется максимальной угленосностью. Заканчивается разрез каменноугольной системы отложениями верхнего отдела, состоящими из песчано-глинистых пород, тонких слоев известняка и пластов углей.

Мощность отдела меняется от 600 до 2500 м.

Накопление угленосной каменноугольной формации происходило непрерывно на фоне медленного и неравномерного опускания территории Донецкого бассейна. Мощность угленосной толщи с северо-запада на юго-восток и от периферии к центру постепенно увеличивается от 4 до 12 км. Угленосная формация состоит в основном из песчаников, алевролитов и аргиллитов с подчиненным количеством известняков и углей. Количество известняков и их мощность возрастают в северо-восточном направлении. По данным литологии, органическим остаткам, угленосности и ритмичности угленосная формация подразделяется на 15 свит: 5 свит в нижнем отделе карбона, 7 в среднем и 3 в верхнем отделе. Каменноугольная угленосная формация согласно перекрывается пермскими отложениями нижнего отдела, представленными медистыми песчаниками (до 1000 м), глинисто-доломитовой толщей (до 800 м) и соленосной, толщей (до 600 м). Выше залегают красноцветные терригенные отложения — чередование песчаников, алевролитов, аргиллитов и конгломератов, условно относимые к верхнепермским.

Решением VIII Международного конгресса по стратиграфии и геологии карбона в 1975 г. внесены изменения в расчленение каменноугольных отложений Донбасса, в результате чего отделы донецкого карбона стали иметь расчленение на свиты: нижний – 4 (С¹₁ – С⁴₁), средний -8 (С⁵₁-С⁷₂), верхний 4 (С¹₃ – С³₃ и картамышская свита до известняка Q₈).

Тектоника. Донецкий бассейн, вытянутый в близширотном направлении, в структурном отношении представляет собой крупный синклинорий, расположенный между Украинским кристаллическим массивом и Воронежской антеклизой. Эта структура осложнена Системой складчатых структур более мелкого порядка, вытянутых параллельно длинной оси синклинория. Почти в центральной части бассейна выделяется Главная антиклиналь, разделяющая его на северную и южную части. Антиклиналь характеризуется почти симметричным строением с крутыми углами падения крыльев — до 70—80° (рис. 11). К северу и югу от Главной антиклинали располагаются соответственно Главная и Южная синклинали. В результате менее отчетливо выраженной поперечной складчатости оси указанных складок испытывают поднятие и погружение. Южная синклиналь, например, разделяется с востока на запад на Шахтинско-Несветаевскую мульду, Чистяковскую синклиналь и Кальмиус-Торецкую котловину. В свою очередь, Главная синклиналь подразделяется на Боково-Хрустальскую синклиналь, Бахмутскую котловину, Должано-Сулинскую синклиналь и Садкинскую котловину.

Складчатые структуры осложнены поперечными дизъюнктивными нарушениями. Поперечные нарушения представлены сбросами небольшой протяженности с амплитудами порядка первых метров на площади Старого Донбасса и более крупными (до 400 м) в районах Большого Донбасса. Продольные нарушения выражены надвигами. Они имеют амплитуды от нескольких метров до 2 км и значительную протяженность — до десятков километров. Например, Северодонецкий надвиг в северной части бассейна имеет протяженность более 200 км и амплитуду до 2 км.

Метаморфизм. Донецкий бассейн является классическим примером проявления регионального метаморфизма, где наблюдается вся гамма углей от бурых до антрацитов включительно (рис. 12). Степень метаморфизма углей возрастает с глубиной (по правилу Хильта), параллельно увеличению мощности угленосной формации — с северо-запада на юго-восток и с севера на юг и, наконец, с возрастанием современной вертикальной глубины залегания. Одновременно с метаморфизмом углей изменяется и степень литификации вмещающих их пород.

В юго-восточной зоне Донецкого бассейна распространены антрациты и тощие угли, заключенные среди плотных песчаников, аргиллитов и глинистых сланцев; в промежуточной субгеосинклинальной зоне среди аргиллитов, алевролитов и слабо литифицированных песчаников залегают каменные угли средней (Ж—К—ОС) и низкой (Д—Г) степеней метаморфизма. К субплатформенной зоне формации, слагающей периферийные части Большого Донбасса, приурочены угли бурые и переходные к длиннопламенным, залегающие среди рыхлых песчано-глинистых осадков.

Рисунок 12 – Распределение углей разных марок в Донбассе

Угленосность. В угленосной формации Донецкого бассейна насчитывается около 300 угольных пластов и пропластков, из них примерно 100 имеют рабочую мощность (свыше 0,45 м). В основном преобладают тонкие рабочие пласты, в среднем имеющие мощность 0,70 м; пласты мощностью до 1,50 м редки; пласты мощностью до 2,50 м единичны. Установлено, что угленосность формации изменяется по площади и в разрезе. В западной и северо-западной частях бассейна характерна промышленная угленосность для нижнего карбона. На остальной территории угленосность нижнего карбона не имеет практического значения. Основная угленосность в центре бассейна связана с верхними свитами среднего и нижними свитами верхнего карбона. В восточном и северном направлениях количество пластов угля закономерно уменьшается. Средний коэффициент рабочей угленосности равен 0,77; средняя углеплотность до глубины 1800 м до 20 млн. т/км². Для бассейна характерна выдержанность угольных пластов по площади: некоторые рабочие пласты сохраняют мощность в пределах нескольких смежных районов и даже всей площади бассейна (например, угольные пласты k_s, k_s, 1₃, 1₈ и др.). Выдержанность угольных пластов есть следствие их накопления в сходных тектонических и фациальных условиях прибрежно-континентальной и прибрежно-морской обстановок. В основной массе угли Донецкого бассейна относятся к классу гумитов. Для среднего и верхнего отделов характерны клареновые (часто восстановленные) петрографические типы углей с подчиненным значением дюреновых и ксилено-фюзеновых. В северо-восточном направлении заметно увеличивается содержание клареновых углей. В нижнем отделе преобладают споровые дюреновые и кларено-дюреновые типы. Зольность углей меняется от 5 до 40% при среднем содержании золы 7— 15%. Содержание серы общей варьирует от 1,0 до 4,5%. Количество серы в углях возрастает к северо-востоку — по направлению увеличения количества морских осадков. Теплота сгорания горючей массы 7500—8600 ккал/кг. Выход летучих на горючую массу углей V^rи толщина пластического слоя у колеблются в широких пределах и служат основой промышленной классификации (марочного состава) донецких углей.

Угли большинства пластов относятся к легко- и среднеобогатимым по золе. При обогащении углей содержание серы снижается в среднем на 2%. Количество фосфора в углях невелико и составляет 0,01—0,02%. Присухой перегонке угли пластов среднего и верхнего карбона дают выход смолы 8— 17%, угли нижнего карбона — 13—24%. Коксующиеся угли (Ж—К—ОС) хорошо спекаются и дают качественный металлургический кокс. Газовые угли в шихте с углями отощенных марок также дают хороший кокс. В угленосной формации Донецкого бассейна располагаются многочисленные водоносные горизонты, приуроченные к пористым и трещиноватым песчаникам и известнякам. Приток воды в горные выработки меняется от десятков до многих сотен кубических метров в час. Основные притоки вод связаны с закарстованными известняками. Средний приток в шахты 50— 100 м³/ч. С глубиной приток воды в шахты уменьшается. В угленосной формации и углях Донецкого бассейна содержатся метан, азот и углекислый газ. На глубоких горизонтах количество метана достигает 80% и более, что составляет 10—15 м³ на 1 т горной массы.

К неблагоприятным горнотехническим факторам, создающим серьезные затруднения при эксплуатации углей, относятся также внезапные выбросы угля и газа, внедрения и включения в угли пластичных и сыпучих пород кровли и почвы в виде кластических даек, явления сингенетических и эпигенетических размывов угольных пластов. В отдельных случаях поражение пластов угля кластическими дайками и размывами снижает балансовые запасы на 15—20%, а в ряде случаев полностью переводит их в категорию забалансовых. Ряд шахт в бассейне отрабатывают угли с глубины свыше 1000 м. Перспективные запасы по основным коксующимся углям (Ж—К—ОС) имеются только на глубоких и сверхглубоких горизонтах.

Геологические запасы Донецкого бассейна в 1956 г. составляли 241 млрд. т. Общие ресурсы угля в бассейне до глубины 1800 м составляют около 140 млрд. т (1979), в том числе кондиционные – 107 млрд. т. Запасы категорий А+В+С₁ – 51,5 млрд.т., С₂ – 10,7 млрд. т. Распределение ресурсов по маркам: Б-Д – 26%, Г – 31%, ГЖ – 3%, Ж – 4%, К – 2%, ОС – 2%, Т – 9%, А – 23%. Минимальная мощность угольных пластов для подсчёта кондиционных ресурсов – 0,6-0,7 м, максимальная зольность угля – 30%. Балансовые запасы каменного угля категорий А+В+С₁+С₂ Геологические запасы углеводородных газов, содержащихся в угольных пластах и прослоях, превышают 2,5 трлн. м³. Донецкого бассейна составляют 94,9 % от общих запасов угля Украины.