CC BY
41
Таким образом, описанная последовательность в этапах волнового электромагнитного воздействия на угольное вещество направлена на разрушение макроструктуры угля, формирование в нем основных и переходных фильтрационных каналов, по которым газ, извлеченный из деструктурирован-ных микропор, за счет градиента концентра-
1. Бобин В.А. Сорбционные процессы в природном угле и его структура. М., изд-во ИПКОН АН СССР, 1987, 135 с.
ции или давления поступает в свободное пространство скважины.
При этом первый этап волнового воздействия с резонансной частотой 88 ГГц должен быть наиболее продолжительным и интенсивным, т.к. он направлен на разрушение структуры угольного вещества, которая содержит наибольшее количество газа в нем сосредоточенного.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Бобин В.А. Теория структурно-трансформационных процессов при сорбционных явлениях в природных газонасыщенных углях. Автореферат на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. М.,1993, 32 с.
— Коротко об авторах --------------------------
Бобин В.А. - Институт проблем комплексного освоения РАН.
-А
-------------------------------------- © В.В. Гурьянов, И.А. Новикова
2004
УДК 622.411.33:533.17
В.В. Гурьянов, И.А. Новикова
ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫСОКОГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Семинар № 5
дним из важнейших направлений работ по извлечению метана из высокогазоносных угольных (метаноугольных) месторождений является активация системы «уголь-метан».
Для решения этой задачи необходимо знание коллекторских свойств угольных пластов, определяющихся условиями залегания метаноугольных месторождений, строением и геологическими характеристиками угольных пластов.
Имеющаяся в научно-технической литературе геологическая информация о строении, нарушенное™ и других геологических харак-
теристиках высокогазоносных угольных пластов содержит данные об этих свойствах пластов, предназначающиеся прежде всего для решения вопросов проектирования разработки угольных месторождений, выбора технологий и оборудования для добычи и обогащения угля и его термохимической переработки (коксования, брикетирования и т.д.).
Обобщению геологических материалов о строении и свойствах высокогазоносных угольных пластов как коллекторов метана посвящено небольшое количество публикаций [1-
4]. В этой связи была поставлена задача восполнить имеющийся пробел в данной области.
Анализ научных публикаций показал, что наиболее представительными объектами для обобщения геологической информации о высокогазоносных угольных пластах являются основные угольные бассейны России (Кузбасс, Печорский бассейн и Восточный Донбасс), а также Карагандинский угольный бассейн в Казахстане.
Информационной базой для сбора, обобщения и анализа геологических материалов и данных послужили литературные источники, посвященные описанию ресурсной базы угольной промышленности СССР и России, опубликованные в 1963-2000 гг., а также научнотехнические издания по геологии угольных месторождений, газоносности угольных пластов и вопросам освоения ресурсов метана угольных месторождений [1, 3, 5, 6, 7].
В результате изучения геологических материалов о строении и характеристиках основных месторождений (районов) Кузнецкого и Печорского угольных бассейнов и Восточного Донбасса России, а также Карагандинского бассейна были проанализированы геологические характеристики 1480 наиболее представительных высокогазоносных угольных пластов.
При этом особое внимание уделялось сбору и оценке данных о:
• мощности и строении угольных пластов;
• нарушенное™ (трещиноватости) угля;
• степени метаморфизма и петрографическом составе углей;
• других качественно-вещественных характеристиках углей.
Сводные данные о геологических характеристиках рассмотренных высокогазоносных угольных пластов представлены в табл. 1 и 2.
Рассмотренные высокогазоносные угольные пласты по мощности и строению распределяются следующим образом:
- тонкие пласты (46 %);
- пласты средней мощности (41 %);
- мощные (3,5-10,0 м) пласты (11 %);
- пласты простого строения (без прослойков) - 52 %;
- пласты относительно простого строения (1-2 прослойка) - 32 %;
- пласты сложного строения - 16%.
Анализ характеристик высокогазоносных
угольных пластов позволил установить тесную зависимость между метаноносностью угольных пластов, степенью метаморфизма угля, его петрографическим составом и трещиноватостью угольных пачек, что подтверждает выводы ранее проведенных исследований [2, 3]. При выполнении данной работы особое внимание было уделено обобщению исследований по трещиноватости углей и ее влиянии на их газопроницаемость.
Анализ геологической информации о строении и характеристиках угольных пластов основных бассейнов России и Казахстана свидетельствует, что данные о трещиноватости углей рассматриваются авторами использованных публикаций как второстепенные и поэтому им не уделяется необходимого внимания. В частности, наиболее полная информация по этому вопросу имеется только по Кузбассу и Карагандинскому бассейну.
Вместе с тем, вопрос о трещиноватости углей привлекал внимание некоторых исследователей, посвятивших ему ряд крупных работ, которые существенно дополняют информацию о трещиноватости углей и ее влиянии на их газоносность, газопроницаемость и способность угольных пластов к газоотдаче [4, 8, 9, 10].
В геологической литературе термин «трещиноватость» понимается неоднозначно. Одни исследователи объединяют нарушения сплошности пород без видимого смещения слоев в единую группу тектонических нарушений вместе с разломами, надвигами, сбросами, взбросами, т.е. с разрывами со значительным смещением слоев пород относительно
друг друга. Другие исследователи дифференцируют разрывные деформации и выделяют в самостоятельный вид макро- и микротрещины, т.е. разрывы сплошности без видимого смещения слоев.
Очень часто в геологической литературе встречается термин «кливаж», введенный в геологию в конце XIX века. Кливажем называется способность пород раскалываться на пластинки и призмы по густо развитой системе параллельных поверхностей, секущих слоистость горных пород или согласных с ней.
Специалисты - угольщики выделяют эндо-и экзокливаж, дифференцируя трещины по времени появления и генезису. При этом выделяются трещины скрытые, закрытые и открытые. Скрытые трещины макроскопически в породе не видны, так как они чрезвычайно тонкие, волосные, но обнаруживаются при применении специальных методов насыщения, а также при механическом воздействии на породы. Особенно часто скрытая трещиноватость отмечается в аргиллитах, углистых сланцах и углях. Наличие скрытых трещин значительно увеличивает емкостные свойства пород.
Закрытыми называют трещины, заполненные различными минеральными веществами и видимые невооруженным глазом. Стенки таких трещин плотно сдвинуты. Обычно закрытые трещины выполнены кристаллическим кальцитом, ангидритом, глиной, органическим веществом; нередко одновременно присутствует несколько различных минеральных веществ и по последовательности заполнения можно судить о возрасте трещин.
Процесс формирования трещин в пласте происходит неоднократно, поэтому открытые трещины могут стать закрытыми в результате выпадения кристаллов из водных растворов или вторичного заполнения продуктами перетирания пород.
В природных условиях практически не встречается одиночных трещин, обычно они образуют системы. Как правило, в массиве пород наблюдается ряд систем, которые пересекаются между собой под различными углами. В отдельных районах Кузбасса насчитывается до 10 систем трещин, ориентированных в различных направлениях.
В слоистых толщах большинство внутри-слойных трещин располагается нормально к слою, и в целом вся картина трещиноватости слоев напоминает «кирпичную кладку» с различными размерами «кирпичей» в прослоях, отличающихся по вещественному составу.
При изучении угленосных отложений большинство исследователей выделяют следующие генетические типы трещин: эндогенные, экзогенные, выветривания.
Таблица 2
Типизация высокогазоносных угольных пластов по основным геологическим характеристикам
Значения параметров
Мощность пласта -тонкий (до 1,2 м)
- средней мощности (1,21-3,5 м)
-мощный (3,51-6,0 м)
-сверхмощный (6,01-20,0 м и более)
Строение пласта - простое
-относительно простое (1-2 прослойка)
-сложное (3-6 прослоев и более)
Характеристика вмещающих пород - слабые трещиноватые аргиллиты и алевролиты
- аргиллиты и алевролиты средней прочности с незначительной трещиноватостью
-крепкие, монолитные песчаники и алевролиты
Степень метаморфизма угольного ве- -низкая стадия метаморфизма (Д, ДГ)
щества - средняя стадия метаморфизма (Г, Ж, К, ОС)
-высокая стадия метаморфизма (Т, ПА, А)
Петрографический состав угольного -витренитовый
вещества -фюзенитовый
- смешанный
Характеристика нарушенное™ (тре- -ненарушенный и слабо нарушенный (эндогенные трещины)
щиноватости) угля -средняя нарушенность (от 2 до 6 систем эндогенных и экзогенных трещин)
-сильная нарушенность (более 6 систем различных трещин, уголь сильно перемят)
Метаноносность пласта, м3 /т от 8 до 40-45
Другие существенные, характеристики малозольные угли (до 10%)
(зольность) угли средней зольности (от 10% до 20%)
высокозольные угли (свыше 20%)
Эндогенные трещины возникают в процессе диагенеза осадков вследствие изменения объема угольного вещества в результате потери воды и летучих компонентов. Обычно они располагаются перпендикулярно к напластованию. В углях, как правило, развиваются две системы эндогенных трещин. Одна из них проявляется более отчетливо, располагается параллельно простиранию пластов и называется основной системой. Вторая система эндогенных трещин параллельна плоскости падения пластов, ее называют торцевой.
Частота и выраженность эндогенных трещин в углях, помимо стадии метаморфизма, находятся в тесной связи с их петрографическим составом. Влияние состава пород сказывается в том, что в породах более хрупких, при той же мощности слоя трещины располагаются чаще, чем в породах более прочных и менее хрупких. В углях наименее прочным компонентом, обладающим большей хрупкостью, является витринит, свободный от каких бы то ни было включений. Кроме состава пород на час-
тоту эндогенных трещин влияет мощность слоев.
Неодинаковые физико-механические свойства и мощности отдельных пород в угленосной толще являются основными причинами, определившими изменение частоты эндогенных трещин от слоя к слою и локализацию основной массы эндогенных трещин в пределах каждого слоя.
Экзогенные трещины образуются в угольных пластах и породах в результате деформации при тектонических процессах. Ориентировка экзотрещин совпадает с ориентировкой основных элементов складок и с направлением растягивающих и сжимающих усилий. Эти трещины проявляются в виде отчетливых систем и распространяются на значительные глубины.
Экзогенные трещины, также как и эндогенные, часто располагаются весьма близко друг к другу. Их количество, выраженность и протяженность иногда резко изменяются не только в отдельных пластах, но и в различных пачках одного и того же пласта.
В результате полевых исследований в шахтах и разрезах, а также геологоразведочных выработках было установлено, что эндогенные трещины в угле по степени протяженности четко разделяются на четыре группы:
1) пересекающие пласт на всю мощность;
2) пересекающие отдельные пачки угля;
3) пересекающие отдельные петрографические разновидности угля внутри угольной пачки;
4) локализованные внутри прослоев и линз витрена и витринитового угля.
В угольных пластах простого строения трещины первой группы одновременно являются и трещинами второй. В мощных пластах сложного строения трещины первой группы располагаются весьма редко. Преимущественное развитие в углях Кузбасса имеют трещины второй, третьей и четвертой групп.
Рассмотренный материал позволяет сделать несомненный вывод о том, что эндогенная трещиноватость, а следовательно, и механическая прочность углей, находятся в тесной зависимости от их вещественно-геологических особенностей. При этом главное место следует отвести таким особенностям как стадия метаморфизма, петрографический состав, текстура и структура утя.
В определении рациональных путей подготовки пластов утя к подземной разработке, а также в решении вопросов, связанных с дегазацией месторождений и разработкой методов борьбы с внезапными выбросами угля и газа в шахтах, имеет большое значение установление взаимосвязей между физико-механическими свойствами, петрографическими особенностями углей их трещиноватостью и газопроницаемостью. К сожалению, до последнего времени при проведении лабораторных и опытно-промышлен-ных исследований газопроницаемости утя и вмещающих пород за редким исключением почти не обращалось внимания на их петрографическую характеристику и на характеристику трещиноватости. Вследствие этого имеющиеся в литературе материалы по газопроницаемости углей оказываются мало пригодными для решения вышеназванных задач, а сделанные на их основе выводы нередко имеют слишком общее значение и их трудно использовать в каких-либо конкретных условиях.
Наиболее хорошей проницаемостью в угле обладают эндогенные и экзогенные трещины отрыва, которые возникли в результате растяжения. Экспериментальные исследования подтверждают
лучшую газопроницаемость угля в направлении основной системы эндогенных трещин.
Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы: 1) проницаемость углей и вмещающих пород обусловлена главным образом их трещиноватостью; 2) максимальная проницаемость угля в пластах совпадает с направлением основной системы эндогенных трещин и трещин отрыва экзогенного происхождения; 3) экзогенные трещины скалывания, образовавшиеся под действием сжимающих сил, не только не улучшают фильтрационную способность угля, а наоборот при их значительном развитии обусловливают ее снижение; 4) возрастание в угле содержания витринита, отличающегося от других микрокомпонентов большей хрупкостью, обусловливает значительное увеличение трещиноватости. При этом наряду с возрастанием количества трещин происходит увеличение их эффективности, что и определяет рост газопроницаемости утя; 5) эффективная пористость при возрастании содержания витринита в угле интенсивно уменьшается. При этом происходит соответственно уменьшение содержания фюзинита, что позволяет сделать предположение о приуроченности значительного количества пор, которые рассматриваются как эффективные, к компонентам группы фюзинита.
Таким образом, основным фактором, определяющим газопроницаемость углей, является эндогенная трещиноватость. При этом главное значение имеют наиболее крупные, хорошо развитые трещины. Мелкие эндогенные трещины, локализованные в отдельных линзах витринита, так же как и пористость, не оказывают сколько-нибудь заметного влияния на газопроницаемость углей. Несомненно также и то, что экзогенные трещины отрыва, которые подобно эндогенным являются открытыми, оказывают благоприятное влияние на газопроницаемость утей. При интенсивном развитии в угле экзогенных трещин скалывания отмеченные выше закономерности могут быть существенно нарушены, а газопроницаемость угля значительно снижена.
Приведенные данные указывают на возможность предварительной оценки фильтрационных свойств угольных пластов по петрографическим особенностям углей и по характеру развитой в них трещиноватости, а также свидетельствуют о необходимости развития исследований о влиянии рассмотренных геологических характеристик пластов на параметры их газопроницаемости.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Газоносность угольных бассейнов и месторождений СССР (в трех томах); - М.: Недра, 1979-1980 гг.
2. Матвиенко Н.Г., Зимаков Б.М., Гурьянов В.В., Хрюкин В.Т., НатураВ.Г. Оценка коллекторских свойств угольных пластов применительно к условиям промысловой добычи метана. Сб. "Современные проблемы шахтного метана". - М.: МГГУ, 1999, с. 151-157.
3. Карасевич А.М., Хрюкин В.Т., Зимаков Б.М. и др. Кузнецкий бассейн - крупнейшая сырьевая база промысловой добычи метана из угольных пластов. - М., АГН, 2001, 64 с.
4. Аммосов ИИ, Еремин И.В. Трещиноватость углей. М., АН СССР, 1960.
5. Голицын М.В., Голицын А.М., Пронина Н.В. и др. Газоугольные бассейны России и мира. - М.: МГУ, 2002, 250 с.
6. Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР (тома 1, 3, 5 и 7). - М.: Недра, 1963-1969 гг.
7. Угольная база России. Том 1 "Угольные бас-
сейны и месторождения Европейской части России". М., МПР РФ, ЗАО "Геоинформмарк", 2000, 483 с.
8. Иванов Б.М., Фейт Г.Н., Яновская М.Ф. Ме-
ханические и физико-химические свойства углей выбросоопасных пластов. - М.: Наука, 1979.
9. Багринцева К.И. Трещиноватость осадочных пород. - М.: Недра, 1982.
10. Массаротто П., Рудольф В., Гольдинг С. Но-
вое оборудование по определению 3-Д проницаемости помогает решать проблемы выделения метана. Доклады II Международной конференции "Сокращение эмиссии метана", Новосибирск, Сибирское отделение РАН, 2000, с. 392-402.
— Коротко об авторах -----------------------------------
Гурьянов Владимир Васильевич - профессор, доктор технических наук, Новикова И.А. - инженер,
Институт проблем комплексного освоения РАН.
----------------------------------------------- © В.В. Гурьянов, 2004
УДК 622.817.9:661.184.35 В.В. Гурьянов
СОСТОЯНИЕ ГАЗОБЕЗОПАСНОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ДЕГАЗАЦИИ И УТИЛИЗАЦИИ ШАХТНОГО МЕТАНА НА УКРАИНЕ
Семинар № 5
ПКОН РАН поддерживает связь с научными организациями, предприятиями и производственно-деловыми структурами Украины по вопросам добычи угля подземным способом, дегазации шахт, заблаговременного извлечения (добычи) угольного метана и некоторым другим направлениям науки и техники. Среди этих организаций следует выделить ИГТМ НАН Украины, Национальную Горную Академию Украины, Институт экономики промышленности НАН Украины, Индустриальный союз Донбасса (ИСД), шахту им. А.Ф.Засядько. Сотрудничество с
этими организациями заключается в обмене научно-технической информацией по указанным вопросам, проведении встреч со специалистами России и Украины, участии в проводимых нашими странами научных конференциях и симпозиумах. В результате таких контактов, в частности, собрана и обобщена информация о состоянии газобезопасности на угольных шахтах Украины и намечаемых мерах по ее улучшению.
Угольные шахты Украины, особенно Донбасса, характеризуются сложнейшими горногеологическими условиями по сравнению с
