CC BY
10
УДК 622.272.6
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-6-116-125
О НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЯХ КЛАСТЕРИЗАЦИИ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КУЗБАССА ПО ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ С УДАЛЕНИЕМ ОТ ЖЕЛЕЗОРУДНОГО УЗЛА МЕСТОРОЖДЕНИЙ ГОРНОЙ ШОРИИ И ХАКАСИИ
Виктор Николаевич Опарин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, зав. отделом экспериментальной геомеханики, тел. (383)205-30-30, доп. 113, e-mail: oparin@misd. ru
Татьяна Анатольевна Киряева
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, кандидат технических наук, тел. (923)170-32-11, е-mail: coalmetan@mail.ru
В статье приведены детерминированные связи распределения выхода летучих веществ, удельной энергии релаксации угольных пластов Кузбасса различной стадии метаморфизма и их геологического возраста в зависимости от расстояния до Таштагола - географической привязки железорудного узла месторождений Горной Шории и Хакасии. С этой целью сформированы и отработаны специализированные информационные банки данных геолого-структурной, горно-тектонической и геомеханико-газодинамической информации по основным объектам недропользования Кузнецкого бассейна. Установленные зависимости позволили впервые количественно упорядочить и дать объяснение особенностям проявления крупных газодинамических событий и их кластеризации по угольным месторождениям Кузбасса на примере фактических данных о техногенных катастрофах за период 1947-2010 гг.
Ключевые слова: угольные и рудные месторождения Кузнецкого бассейна, температура, выбросоопасность, выход летучих, нелинейная геомеханика, геологический возраст, кластеризация, техногенные катастрофы.
FEATURES OF KUZBASS COAL DEPOSITS CLUSTERING ON GAS-DYNAMIC ACTIVITY IN A DISTANCE FROM GORNAYA SHORIA IRON ORE UNIT DEPOSITS
Victor N. Oparin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, D. Sc., Corresponding Member RAS, Head of Laboratory of Experimental Geomechanics, phone: (383)205-30-30, extension 113, e-mail: oparin@misd. ru
Tatiana A. Kiryaeva
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D., phone: (923)170-32-11, е-mail: coalmetan@mail.ru
The determinedconnection of the volatiles emission distribution, the specific energy of the relaxation of the Kuzbass coal seams with various metamorphism stages and their geological age are shown in the article depending on the distance to Tashtagol. Tashtagol is the geographic reference to the iron ore unit of Gornaya Shoria and Khakassia deposits. Therefore, specialized data bankscontaininggeo-structural, mining-tectonic and geomechanical-gas-dynamic information on the main subsoil use objects of the Kuznetsk Basin have been formed and developed. The established dependencies provide the opportunity to quantitatively order and explain the features of the large
gas dynamic events and their clustering over coal deposits in Kuzbass using the actual data on man-made disasters in the 1947-2010 period.
Key words: coalandoredepositsofKuznetskBasin, temperature, outbursthazard, emission of volatiles, nonlinear geomechanics, geological age, clustering, man-made disasters.
Введение
Современные знания о физико-механических свойствах продуктивных пластов каменного угля, калийно-магниевых и других солей, рудных и нефтегазовых месторождений, несмотря на их существенное различие, тем не менее указывают на наличие и общих закономерностей в развитии крупномасштабных геомеханических процессов. Общность состава органического вещества осадочных пород и углеводородов - один из важных аргументов в пользу таких закономерностей биосферного источника нефти и газа. Очевидна и роль тепловой энергии для получения жидких и газовых углеводородов из твердого исходного вещества. В последнее время к механизму нефтегазообразования стало возможным подойти с позиции общих законов трансформации горных пород при нагреве, происходящем в процессе погружения [1]. Согласно этим представлениям, например генерация нефти протекает в очагах с температурой от 50 до 160 °С.
Природные породные растворы и расплавы возникают и при плавлении горных пород в условиях погружения на большие глубины в зоны высоких температур. Так, пласты каменной соли трансформируются в горизонты жидкой раппы, которая при дальнейшем прогреве приобретает высокую внутреннюю энергию и прорывает вышележащие слои, образуя соляные диапиры и купола.
В связи с этим, согласно существующим ныне взглядам на эволюцию Земли с позиций «осцилляционной геомеханики» [2], а также существования крупных тектоно-магматических эпох, можно сделать заключение о важной роли «геокрекингового» механизма формирования месторождений «углеводородного ряда». В рамках этой гипотезы «углеводородный ряд» месторождений должен быть сопряжен с крупными магматическими телами (месторождениями) в виде структурно тектонического «древа миграции и фракционирования» газообразных, жидких и твердых форм углеводородов. Оно формируется в условиях деформирования и разогрева магмой органогенно насыщенных слоев осадочных пород при практически полном отсутствии или существенной ограниченности доступа атмосферного кислорода в термодинамически и геохимически активную зону сложнейшего природного «реактора». Это зона влияния внедряющихся из глубины Земли магматических тел.
Жидкие и газообразные породы по мере остывания магматических тел должны проникать и в продуктивные толщи сопряженных с ними месторождений полезных ископаемых углеводородного ряда, создавая геохимически примесный фон, трендово ослабевающий с расстоянием от источника разогрева породных толщ.
Методы и материалы
В качестве объекта для проведения комплексных исследований по проверке отмеченной гипотезы нами выбраны крупные железорудные и угольные месторождения Кузбасса. Здесь ставилась и решалась основная задача - о возможном геодинамическом влиянии кластера железорудных месторождений Горной Шории и Хакасии в геологические времена их образования на метано-носность и газодинамическую активность угольных месторождений с позиций представлений об основах «осцилляционной геодинамики» и ее следствии -«геокрекинговом механизме происхождения месторождений углеводородного ряда».
Высказанная В. Н. Опариным [2] гипотеза имеет для своей проверки достаточно обширный информационный банк геологоразведочных данных [3, 4] по 15 396 пластопересечениям 11 месторождений Кузбасса, охватывающая все стратиграфические структуры бассейна. В работе [5] показано, что в уравнение Ленгмюра необходимо ввести экспоненциальную поправку на геотермические условия залегания угольных пластов с глубиной в виде
аЬР -0,02(15-?) 3/
=--е у м3/кг, (1)
* 1 + ЬР ^
где t - температура на глубине залегания угольного пласта, рассчитанная с учетом геотермального коэффициента по [6, 7], °С
Уточнена поправка и на влияние температуры угольного пласта с учетом среднего по Кузбассу геотермического градиента 0,025 С/100 м.
X = 0,012 • ехр (-0,012 •( t-15)), (2)
где t - температура пласта, °С.
Локальные температурные аномалии не учитывались. Согласно [8], они генетически связаны с вертикальными тектоническими подвижками, оказавшими влияние на степень метаморфизма углей.
Результаты
Трендовый анализ экспериментальных данных показывает, что выход летучих веществ с глубиной залегания угольного пласта преимущественно снижается. Было высказано предположение, что значительные отклонения (дисперсия) экспериментальных данных для линейных трендов связаны с особенностями проявления регионального метаморфизма углей (рис. 1). Ерунаковская и верхнебалахонская подсерии являются более «молодыми» по геологическому возрасту, но несмотря на то, что они принадлежат разным сериям (кольчугин-ской и балахонской), выход летучих веществ у них увеличивается с глубиной (рис. 1, а). Для более «старых» по геологическому возрасту ильинской и ниж-
небалахонской подсерий, выход летучих веществ с глубиной трендово уменьшается (рис. 1, б). Аналогичная зависимость и для всего Кузнецкого бассейна в целом, хотя и с невысокой степенью достоверности для соответствующей линии аппроксимации (рис. 1, в).
Рис. 1. Изменение выхода летучих веществ для различных:
а, б) подсерий; в) углей Кузбасса в целом с глубиной залегания пластов (сплошной линией показаны их линейные тренды)
Для каждого угольного месторождения была найдена зависимость выхода летучих веществ от глубины залегания угольного пласта и, для единообразия обработки данных, определен выход летучих веществ на глубине 100 м. Обработанные таким образом данные, распределенные по шахтам и районам Кемеровской области приведены в табл. 1. Возраст каменноугольных отложений определен по [9].
Затем построено распределение выхода летучих веществ и удельной энергии релаксации метаноносности для угольных пластов месторождений Кузбасса в зависимости от расстояния до крупного железорудного узла Таштагольско-го месторождения (рис. 2, 3).
Таблица 1
Стратиграфические структуры шахт Кузнецкого угольного бассейна
№ шахты Район Кузбасса Месторождение Подсерия Свиты пластов шахты Иа*100, % Возраст свит, млн лет Расстояние от Ташта-гола, км
1 Кондомский Алардинское Верхнебала-хонская Кемеровская, Ишановская, Промежуточная 13,1 275,4 83
2 Томь-Усинский Ольжерасское Верхнебала-хонская Усятская, Кемеровская, Ишановская 22,7 273,5 105
3 Томь-Усинский Ольжерасское Верхнебала-хонская Усятская, Кемеровская, Ишановская 21,3 273,5 106
4 Кемеровский Березово-Бирюлинское Верхнебала- хонская, Нижнебала-хонская Промежуточная, Алыкаевская 31,0 307,0 333
5 Кемеровский Березово-Бирюлинское Нижнебала-хонская Алыкаевская 23,0 307,0 354
6 Прокопьев- ско-Киселевский Киселевское Верхнебала-хонская Усятская, Кемеровская 30,4 271,0 153
7 Анжерский Анжерское Нижнебала-хонская Алыкаевская 16,0 307,0 393
8 Кемеровский Кедровско-Крохалевское Верхнебала-хонская Кемеровская 31,9 270,6 336
9 Томь-Усинский Распадское Ерунаковская, Ильинская Лениская, Казанково-маркинская 35,8 269,9 111
10 Осиниковский Шелканское Ильинская Казанково-маркинская 35,6 270,6 105
11 Осиниковский Алардинское Верхнебала-хонская Кемеровская, Ишановская, Промежуточная 12,6 275,6 80
12 Беловский Чертинское Ильинская Казанково-маркинская 38,6 268,9 214
13 Байдаевский Байдаевское Ерунаковская, Ильинская Ленинская, Ускатская 38,7 268,0 118
14 Байдаевский Байдаевское Ерунаковская, Ильинская Ленинская, Ускатская 39,3 268,0 118
15 Ерунаковский Соколовское Ерунаковская Ленинская 40,6 265,8 171
16 Ленинский Ленинское Ерунаковская, Ильинская Ленинская, Ускатская 41,1 268,0 238
Окончание табл. 1
№ шахты Район Кузбасса Месторождение Подсерия Свиты пластов шахты Иа%0, % Возраст свит, млн лет Расстояние от Ташта-гола, км
17 Ленинский Ленинское Ерунаковская, Ильинская Грамотеин- ская, Ленинская, Ускатская 40,9 263,0 236
18 Ленинский Ленинское Ерунаковская Грамотеин- ская, Ленинская 43,0 260,4 229
19 Ленинский Егозово-Красноярское Ерунаковская Грамотеин- ская, Ленинская 42,2 263,0 244
20 Кемеровский Кемеровское Верхнебала-хонская Кемеровская 24,6 271,0 307
21 Кемеровский Кемеровское Нижнебала-хонская Промежуточная 18,9 276,0 318
Vа % "
40 30 20 10 0
—I—
100
—I—
200
а)
—I-1-1
300 400 Ь, 103 м
310 % 310
Г-"
Й зо:
I
Г.-Г
2БО
К
г§ 270
2Н 25С
и1 =о;71аз
* 4 /»
* ' # * 4
* —## •
100
200
б)
300
400 500 I, 10* м
Рис. 2. Распределение для угольных пластов месторождений Кузбасса в зависимости от расстояния до Таштагола: а) выхода летучих веществ; б) геологического возраста
0
Обсуждение
Установленные особенности поведения данной эмпирической зависимости на рис. 2, а согласуются с выбросоопасностью основных стратиграфических структур Кузбасса. На вершине параболы расположились сравнительно молодые бурые угли кольчугинской серии с выходом летучих веществ 38-43 %, имеющие минимальную удельную энергию релаксации метаноносности. Вы-бросоопасность этих угольных пластов минимальна.
Д \&Дж/кг
200
150
100 50
0
0 100 200 300 400 ¿Л03.м
Рис. 3. Значения удельной энергии релаксации метаноносности углей в зависимости от расстояния до рудного Таштагола
Ветви параболы соответствуют средней стадии метаморфизма углей. Здесь расположены наиболее выбросоопасные угольные пласты балахонской серии, причем на расстоянии около ~300-400 км от Таштагола залегают угольные пласты наиболее выбросооопасной и «старой» по геологическому возрасту нижне-балахонскойподсерии. Угольные пласты, расположенные на расстоянии до ~150 км от Таштагола, также выбросоопасны. Это угли кольчугинской и балахонской серий, но менее «старых» - ильинской и верхнебалахонскойподсерий (рис. 2, б).
Очевидно, что в соответствии с рис. 3 все районы Кузнецкого угольного бассейна можно разделить на 3 группы.
Первая - наиболее удаленные от Таштагола районы Кемеровский и Ан-жерский, имеющие максимальную удельную энергию релаксации метаноносности ~130-180 кДж/кг. На этих территориях находились в середине и конце прошлого века (1947-1990 гг.) ныне закрытые, самые выбросоопасные шахты Кузбасса (табл. 2). Количество ГДЯ в них достигло 219 случаев.
Вторая группа - районы, имеющие минимальную удельную энергию релаксации метаноносности ~50-80 кДж/кг. В настоящее время здесь сосредоточены все основные работающие шахты. Число ГДЯ на этих шахтах минимальное (70) из 3-х групп районов и в основном происходило в 70-90-х гг. прошлого века.
Третья группа - самые близлежащие к Таштаголу районы. Расположенные на них шахты также имеют высокую удельную энергию релаксации метанонос-ности ~100-140 кДж/кг, но только 2 из них в Томь-Усинском районе имеют эту энергию в пределах 180 кДж/кг. Количество газодинамических явлений на шахтах этого района существенно меньше (113), чем на шахтах первой группы районов, но это были наиболее крупные (с количеством погибших 5 и более человек) аварии на шахтах Кузбасса [10]: ш. Ульяновская - 110 чел., Юбилейная - 39 чел., Распадская - 91 чел.
Таблица 2
Газодинамические явления (ГДЯ) на угольных месторождениях Кузбасса
с 1947 по 2010 г.
№ района Месторождение Шахта Всего ГДЯ на 01.01.2010
1 Анжерское Судженская 25
Анжерская 15
Березово- Первомайская 33
Бирюлинское Бирюлинская 10
Березовская 12
Кемеровское Северная 112
Ягуновская 27
Итого по 1 району 219
2 Чертинское 31
Байдаевское 13
Кемеровское 26
Итого по 2 району 70
3 Ольжерасское 10
Распадское 1
Щелканское 2
Киселевское 13
Прокопьевское 86
Итого по 3 району 113
Заключение
В ИГД СО РАН в последние годы в обсуждаемом направлении фундаментальных исследований достигнут ряд важных результатов, что в равной мере относится и к исследованиям, связанным с изучением и описанием механизмов накопления потенциальной упругой энергии в массивах горных пород, так и ее трансформации в кинетическую энергию разноуровневых структурных элементов, слагающих эти массивы. Практическую значимость решения этой чрезвычайно трудной и необыкновенно интересной проблемы нелинейной геомеханики трудно переоценить. Она важна не только с позиций создания теоретических основ безопасного освоения недр Земли на больших глубинах, но и для разработки принципиально новых технологических решений, опирающихся на фундаментальные знания механизмов протекания массообменных процессов в многофазных сильно напряженных геосредах [11-13]. С этих позиций рис. 2, 3 содержат информацию о геомеханико-геодинамических, термодинамических и физико-химических условиях формирования угольных пластов для конкретных угольных районов Земли.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 17-17-01282).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Дьяконов А. И. и др. Теоретические основы и методы прогноза, поисков и разведки месторождений нефти и газа: учебник / А. И. Дьяконов, Б. А. Соколов, Ю. К. Бурлин. - Ухта: УГТУ, 2002. - 327 с.
2. Курленя М. В., Опарин В. Н. Осцилляционная геодинамика и эффект «зависания» горных систем / Труды межд. конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли». - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2001. - С. 19-35.
3. Свидетельство № 2018620035 на БД. Российская Федерация. Каталог метаноносно-сти углей Кузбасса / Киряева Т. А., Опарин В. Н.; зарегистр. 09.01.2018 г.
4. Свидетельство № 2018620264 на БД. Российская Федерация. Каталог метаноемкости углей Кузбасса / Киряева Т. А., Опарин В. Н.; зарегистр. 13.02.2018 г.
5. Полевщиков Г. Я. Особенности распределения газового потенциала участка углеме-танового месторождения, разрабатываемого открытым способом / Г. Я. Полевщиков, Е. Н. Козырева, Т. А. Киряева // ГИАБ. - 2004. - № 2. - С. 146-148.
6. Угольная база России. - М.: ООО «Геоинформмарк», 2004. - Т. 6: Основные закономерности углеобразования и размещения угленосности на территории России. - 779 с.
7. Яворский В. И. Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР / В. И. Яворский. - М.: Недра, 1969. - Т. 7. - С. 305-311.
8. Полевщиков Г. Я. Физико-химические особенности метастабильных состояний угле-метановых пластов / Г. Я. Полевщиков, Т. А. Киряева // Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды: материалы конф. (с участием иностр. ученых). - Новосибирск, 2007. - Т. 1. - С. 290-293.
9. Постановления межведомственного стратиграфического комитета и его постоянных комиссий. - СПб. : Изд. ВСЕГЕИ, 2008. - Вып.38. - 151 с.
10. Свидетельство № 2018620036 на БД. Российская Федерация. Каталог внезапных выбросов угля и газа в Кузбассе / Киряева Т.А., Опарин В.Н.; зарегистр. 09.01.2018 г.
11. Oparin V. N. Interaction of geomechanical and physicochemical processes in Kuzbass coal / V. N. Oparin, T. A. Kiryaeva, V. Yu. Gavrilov et al. // J. Mining Sci. - 2014. - Vol. 50, Issue 2. - P. 191-214.
12. Oparin V. N. Initiation of underground fire sources / V. N. Oparin, T. A. Kiryaeva, V. Yu. Gavrilov et al. // J. Mining Sci. - 2016. - Vol. 52, No 3. - Р. 576-592.
13. Oparin V. N. Nonlinear deformation-wave processes in various rank coal specimens loaded to failure under varied temperature / V. N. Oparin, T. A. Kiryaeva, O. M. Usol'tseva // J. Mining Sci. - 2015. - Vol. 51, No 4. - Р. 641-658.
REFERENCES
1. Dyakonov A. I. (2002). Teoreticheskie ocnovi I metodi prognoza, poiskov i razvedki mestorogdeni nefti i gaza: uchebnik. Ukhta: UGTU. [in Russian].
2. Kurlenya M. V., OparinV. N. (2001).Ostsillyatsionnaya geodinamika i effect "zavisaniya" gornikh system. Trudi mezhdunarodnoi conference "Geodinamika i napryazhennoe sostoyanie nedr Zemli" Novosibirsk. IGD SO RAN. [in Russian].
3. Kiryaeva T. A. & Oparin V. N. (2018). Patent RF No 2018620035. Novosibirsk: IP Russian Federation.
4. Kiryaeva T. A. & Oparin V. N. (2018). Patent RF No 2018620264. Novosibirsk: IP Russian Federation.
5. Polevschikov G. Ya. (2004). Osobennosti raspredeleniya gazovogo potentsiala uchastka uglemetanovogo mestorozhdenia, razrabativaemogo otkritim. Gornyi informatsionno-analiticheskiy byulleten, 2, 146-148 [in Russian].
6. Ugolnaya baza Russia. (2004). T. 6. Osnovnye zakonomernosti ugleobrazovaniya i razmeshceniya uglenosnosti na territorii Russia. Moscow: OOO "Geoinformmark". [in Russian].
7. Yavorskiy V. I. (1969). Geologiya mestorozhdeniy uglya I goryuchih slantsev SSSR. Moscow: Nedra. T.7. pp. 305-311.[in Russian].
8. Polevschikov G. Ya. (2007). Phiziko-khimicheskie osobennosti metastabil'nykh sostoyaniy yglemetanovykh plastov. In sbornik materialov conference s ychastiem inostr. uchyonykh: T. 1. Phundamental'nye problem formirovaniya technogennoy geosredy. (pp. 290-293). Novosibirsk. [in Russian].
9. Postanovleniya mezhvedomstvennogo stratigraphicheskogo komiteta i ego postoyannyh komissiy. (2008). Saint Petersburg: VSEGEI. [in Russian].
10. Kiryaeva T. A. & Oparin V. N. (2018). Patent RF No 2018620036. Novosibirsk: IP Russian Federation.
11. Oparin V. N. (2014). Interaction of geomechanical and physicochemical processes in Kuzbass coal. J. Mining Sci, 50 (2), 191-214.
12. Oparin V. N. (2016). Initiation of underground fire sources. J. Mining Sci, 52 (3), 576-592.
13. Oparin V. N. (2015). Nonlinear deformation-wave processes in various rank coal specimens loaded to failure under varied temperature. J. Mining Sci, 51(4), 641-658.
© В. Н. Опарин, Т. А. Киряева, 2018
