CC BY
53
СЕМИНАР 8
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98» МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98_________
Н.Г. Матвиенко, Б.М. Зимаков, В.Т. Хрюкин,
ИПКОН РАН ИПКОН РАН МГГРА
ОСОБЕННОСТИ ГАЗОНОСНОСТИ НЕДР И ГАЗОПРОЯВЛЕНИЙ ПРИ ОСВОЕНИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ НА ТЕРРИТОРИИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОКРОВНЫХ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД
В последние годы внимание к регионам распространения "вечной" мерзлоты увеличилось в связи с тем что доля этих территорий на площади, занимаемой Россией, составляет почти 60%, а в Советском Союзе было около 49% (рис.1). На этой территории сосредоточено почти 70% запасов каменного угля России и располагаются многие рудные регионы (Кольский, Северо-Уральский, Норильский, Якутский, Магадано -Чукотский и др.). Здесь особенно острой стала проблема предотвращения взрывов метана и угольной пыли в шахтах. Наиболее крупные взрывы произошли на шахтах "Кадыкчансхая" в Якутии (1996 г., погибло 6 чел.), "Ба-ренцбург" на Шпицбергене (1997 г., погибло 23 чел.), "Зырянов-ская" в Кузбассе (1997 г., погибло 67 чел.), "Центральная " в Воркуте (1998 г., погибло 27 чел.). Одной из причин этих аварий является недоучет влияния геокриологических условий на состояние и локализацию метана в недрах этой территории. Согласно современным представлениям о формах нахождения газов в пористых твердых средах, существование природных газов в недрах земной коры возможно в следующих фазовых состояниях
[1-5]:
♦ свободный (трещины, каверны, поры, размеры которых значительно превышают среднюю длину свободного пробега молекулы газа при данных термических условиях);
♦ сорбированный в различных вариантах (хем-, ад-, аб -включая твердый раствор): адсорбированные газы на поверхности пор или трещин в виде сконденсированной приповерхностной фазы (плот-
ность газа выше его плотности в свободной фазе), обусловленной силами Ван-дер-Ваальсовского притяжения; абсорбироваяные в микропустотах или молекулярных ассоциациях в виде твердого раствора из газа и угля;
♦ растворенный в жидкостях (вода, нефть);
♦ кристаллогидратное (клатрат-ное) - при наличии свободной воды в трещинах и порах, диаметр которых составляет несколько сотен ангстрем, и при соответствующих термобарических условиях; известны кристаллогидраты метана, этана, пропана, углекислого газа, сероводорода. Азот, водород, гелий не дают кристаллогидратов.
Кроме термобарических факторов ( t от-10° до +25°С, Р = 1 ^50МПа), важнейшим условием образования и существования кристаллогидратов является соизмеримость размеров пор с элементарными ячейками самих гидратов. Молекулы гидратов метана
образуют структуры кубических решеток с размерами элементарных ячеек 12-17А, на постройку которых надо 46-136 молекул воды. Кристалл как минимум должен состоять из нескольких ячеек и поэтому его размер по крайней мере должен быть не менее 80-100 А и больше, что выходит за пределы микропор, с которыми связана основная газоемкость углей. Поэтому вряд ли можно ожидать в такой микропористой среде образование кристаллогидратов метана и его гомологов даже в зонах вечной мерзлоты. Они возможны только в крупных порах н зияющих трещинах, главным образом, в углевмещающих и других породах.
Кристаллогидраты метана имеют место при t = -10о ^ +25°С и давлениях соответственно 2,5-50 МПа. Образование гидратов, имеющих плотность 0,88-0,9 г/см3, как и льда, сопровождается приращением объема по сравнению с исходным количеством воды. Поэтому при их разложении породы становятся легкораз-рушаемыми. В своей структуре гидраты газов представляют собой кристаллические соединения, в которых молекулы воды, соединяясь между собой водородными связями образуют своеобразный каркас, в полости которого внедряются молекулы газа. Элементарная ячейка клатрата состоит из
определенного
на мес
Рис 3. Схема вертикальной температурногазовой зональности недр территории распространения многолетнемерзлых пород
количества молекул воды и газа, соотношение между которыми зависит от размера молекул газа. Для СН4, Н^, размер молекул которых не превышает 5,2 А, образуется гидрат структуры, в котором на 8 молекул газа приходится 46 молекул воды. При этом в одном объеме гидрата содержится до 140 объемов газа. Элементарная ячейка гидрата этой структуры содержит две малые полости диаметром 5,2 А и 6 больших диаметром 5,9 А. Вода, переходя в гидрат, "растворяет" несравненно больше газа по сравнению с жидкой.
Закономерности системы газ-жидкость хорошо изучены на газовых и нефтяных месторождениях и могут быть распространены
218
сторождения твердых полезных ископаемых. Количество растворенного газа подчиняется закону Г енри и зависит от парциального давления газов, коэффициентов их растворимости при определенной минерализации вод. Соотношение между свободной и растворенной фазами в системе газ-жидкость регулируется пластовыми давлениями жидкости и парциальными давлениями газов.
Таким образом, основное внимание при изучении форм нахождения газов на территории распространения многолетнемерзлых пород должно уделяться сор-=п бированному газу - в угольных пластах и углистых породах, свободному газу - в пористых и трещиноватых породах, растворенному - в обводненных зонах и нефтеносных породах, кристалло-гидратному - в пористых и трещиноватых мерзлых и талых породах. Основными особенностями распространения метана в недрах на этой территории являются:
♦ повышенная метаноносность углей на относительно небольших глубинах, обусловленная низкой температурой пород. Так, для углей марки Ж содержание метана на глубине 400 м составляет на северных месторождениях (Воркута, Забайкалье, Норильск) 25 м3/т, а на южных (Донбасс) - 15 м3/т. Угли Кузбасса содержат 20-25 м3/т. Это хорошо видно на кривых изменения метаноносности углей с глубиной (рис.2).
♦ нередкая приуроченность скоплений свободных газов в талых породах под подошвой толщи многолетнемерзлых пород, что обусловлено как экранирующей ролью последних, так и повышен-
ной трещиноватостью оттаявших снизу пород в условиях наблюдающейся деградации мерзлоты. Выделения газов (нередко, с водой) в виде выбросов из скважин или суфляров в выработках часто происходили из таких зон на угольных и рудных месторождениях Норильска, Воркуты, Якутии, Забайкалья и Магаданского региона, а также на Эльгинском угольном месторождении.
♦ возможность нахождения газов в твердом состоянии в виде кристаллогидратов в пористых и трещиноватых породах как в мерзлотной, так и в подмерзлотной зонах.
Считается установленным наличие толщ с кристаллогидратами углеводородных газов на газовых месторождениях Севера, в частности, на Мессояховском, являющемся основным источником природного газа для Норильска. Аналогичное положение в регионах кимберлитовых трубок Якутии.
Зоны, благоприятные для образования и существования газогид-ратов, располагаются ниже многолетнемерзлых пород. Мощность таких зон колеблется от 150 до 400 м. Такие зоны выделены на месторождениях Норильск-1, Тал-нах и Октябрьское в Норильске, на трубках "Мир", "Интернациональная" и Удачная в Якутии, а также на всех угольных месторождениях Севера и Северо-Востока России (рис.3).
Характер газоотдачи газогид-ратных залежей изучен слабо. Известные методы разработки таких залежей основаны на разложении газогидрата в пласте на газ и воду, что достигается нарушением термодинамического равновесия путем снижения давления или повышения температуры пласта, а также изменением химпотенциа-лов контактирующих фаз. При разложении гидратов выделяются газ и вода (с 1 кг гидрата 0,9 кг воды) и поглощается много тепла. Решается задача построить процесс извлечения газа из гидрата путем десорбции газа при снижении пластового давления в условиях сохранности фазового равно-
ГИАБ
весия без разрушения кристаллической решетки гидрата, т.е. без выделения воды. При этом используются зависимости статистической термодинамики, рассматривающей гидратообразова-ние по аналогии с абсорбцией газа, как объемную сорбцию газа внутренними полостями элементарной ячейки. Расчеты показывают, что газоотдача гидратопла-ста может быть доведена до 1920% без выделения воды и подогрева. Для повышения газоотдачи при низких затратах тепловой энергии перспективными представляются методы химического воздействия на гидратоносные пласты [6].
Выявленные особенности распространения газов в недрах на территории распространения вечной мерзлоты являются исходными положениями для разработки рекомендаций по уточнению методов изучения газоносности угольных и рудных месторождений и прогнозирования газовыде-лений при их разработке, а также при оценке перспектив промысловой и попутной добычи метана.
Наиболее важно учитывать особенности локализации природных газов в недрах этой территории для обеспечения газовзрыво-безопасности геологоразведочных и горных работ. Переход скважин и выработок из многолетнемерзлых пород в талые, как правило,
сопровождается на газоносных месторождениях повышением интенсивности выделения метана в несколько раз и нередкими выбросами газов и жидкостей из скважин, а также появлением мощных суфлярных выделений в выработках. Так, в угольной шахте "Центральная" в Норильске переход выработок одного из уклонных полей в зону положительных температур привел к увеличению ме-танообильности поля в 2-3 раза (с 2000 до 6000-10000 м3/сутки или с 4-6 до 10-20 м3/т)/4/. Аналогичный переход выработок в под-мерзлотную зону трещиноватых изверженных пород на соседнем медноникеловом руднике "Заполярный" сопровождался интенсивными суфлярными выделениями метана, приведшими к взрыву газовоздушной среды с человеческими жертвами [5]. Здесь метан поступал по трещинам из угольных пластов, залегающих в 30-40 м ниже горизонта горных работ по добыче руды.
Необходимо отметить, что в зонах тектонических нарушений открытого типа нижняя граница многолетнемерзлых пород может располагаться на более высоких отметках, а суфляры могут появляться в зоне отрицательных температур пород.
Повышение интенсивности га-зовыделений при переходе из многолетнемерзлых пород в талые
породы является закономерным явлением, подтвержденным практикой разведки и разработки угольных и рудных месторождений Норильска, Якутии, Воркуты и Северо-Востока России. Это следует учитывать при проектировании вентиляции и дегазации, в том числе заблаговременной, и других средств обеспечения газовзрывобезопас-ности при освоении месторождений твердых полезных ископаемых на территории распространения покровных многолетнемерзлых пород.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Макогон Ю.Ф. Гидраты природных газов. М., Недра, 1974, 206 с.
2. Царев В.П. Особенности формирования, методы поиска и разработки скоплений углеводородов в условиях вечной мерзлоты. Якутск, Якутское книжное издательство, 1976, 216 с.
3. Лидин Г.Д., Матвиенко Н.Г., Шершуков В.В. и др. Газообильность каменноугольных шахт и полиметал-личееких рудников Норильского района. М., Наука, 1966, 270 с.
4. Матвиеико Н.Г. К вопросу о характере газовыделений при разработке угольных месторождений на территории с мощной толщей многолетнемерзлых пород. Сб. "Проблемы рудничной аэрологии". М., Изд-во АН СССР, 1963, с. 121-128.
5. Матвиекко Н.Г. Выделение природных газов при освоении рудных месторождений. М., Наука, 1988, 230 с.
© Н.Г. Матвиенко, Б.М. Зимаков, В.Т. Хрюкин
