CC BY
39
УДК 622.235.38 Н.Г. Матвиенко
ОСОБЕННОСТИ ВЫДЕЛЕНИЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ ИЗ НАПОРНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ ОСВОЕНИИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Я а основе научных обобщений и многопланового анализа многолетнего изучения газового фактора практически всех рудных месторождений мира однозначно установлена обусловленность их газоносности флюидами, чуждыми по генезису самому полезному ископаемому [1]. Метан и его гомологи, иногда с примесями водорода, приурочены к регионам совместного залегания рудных формаций и осадочно-метаморфогенных пород, содержащих органику в рассеянном или концентрированном виде (уголь, нефть). При этом в недрах земной коры эти природные газы находятся в следующих фазовых состояниях: свободном, сорбированном в различных вариантах (ад-, аб-, включая твердый раствор метана в углях), растворенном в жидкостях (вода, нефть), кристалло-гидратном (клатратном). Газы локализуются в определенных толщах вмещающих и продуктивных пород, в основном, в угле-, водо-и (или) нефтеносных комплексах и трещиновато-пористых горизонтах.
В последнее время, в основном, в связи с освоением подмерз-лотных горизонтов коренных алмазных месторождений Якутии, стала актуальной проблема учета особенностей выделений горючих газов (метана, его гомологов, водорода) из напорных подземных вод. Криогенные условия ряда рудных регионов Севера и Северо-Востока России (Норильска, Якутии, Магадана, Чукотки) характеризуются распространением покровной толщи многолетнемерзлых пород, мощность которых составляет 100-500 м, и залегающих под
ними охлажденных пород мощностью до 300-400 м. Эти регионы характеризуются особенностями коллекторских свойств верхней части земной коры и флюидопроявлений при освоении ресурсов недр, которые необходимо учитывать для обеспечения газобезопас-ности горных работ.
Можно считать однозначно установленным, что толща многолетнемерзлых пород является флюидонепроницаемой и выполняет роль газожидкостного экрана.
Есть основание предполагать увеличенную открытую трещиноватость горных пород, находящихся сейчас в талом состоянии ниже подошвы многолетнемерзлых пород, если не повсеместно, то во всяком случае на участках фильтрации подземных вод [2]. На газоносных месторождениях полезных ископаемых эти зоны повышенной трещиноватости горных пород заполняются свободными или растворенными газами и превращаются в коллекторы, нередко с избыточным давлением.
Закономерности системы газ-жидкость изучены на газовых и нефтяных месторождениях [3] и могут быть распространены на месторождения твердых полезных ископаемых. Количество растворенного газа подчиняется закону Генри и зависит от пластового и 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. Важным для оценки газовыделений из вод является достоверное определение содержания газов в водах, которое зависит от свойств газов (их растворимости), температуры и давления. Как известно, наибольшей растворимостью характеризуются сероводород и углекислый газ (соответственно 2,67 и 1,71 м3/м3 при атмосферном давлении и температуре 0 °С). Ратвори-мость горючих газов существенно ниже: водорода, метана, этана и пропана при этих же условиях составляет соответственно 0,021; 0,055; 0,098 и 0,058 м3/м3. Растворимость газов с повышением давления растет и составляет при давлении 10 МПа 0,4; 0,9; 0,7 и 0,3 м3/м3 соответственно водорода, метана, этана и пропана.
Изменение гидрогеологической обстановки под влиянием геологоразведочных и горных работ вызывает изменение пластового давления с появлением гидрогазодинамических явлений.
При вскрытии напорного газоводоносного пласта, в котором пластовое давление выше давления газонасыщения, разделение флюидов на жидкую и газовую фазы наступает тогда, когда в результате излива подземных вод пластовое давление становится ниже давления насыщения [4, 5]. До этого момента в пласте происходит однофазная фильтрация жидкости. После падения пластового давления ниже уровня давления насыщения появляется свободный газ, выделивщийся из раствора, начинается этап двухфазного течения флюидов в начале в режиме напорной, а затем полунапорной фильтрации.
По характеру газовыделения при вскрытии напорных газоводоносных коллекторов охватывают следующие формы: выбросы газожидкостных смесей, газовые струи, включая суфляры, и га-зоотдача излившихся жидкостей.
Интенсивность газовыделения зависит от типа коллектора, вида и степени его газонасыщения. Наиболее значительны дебиты метана на месторождениях, связанных с водонефтегазоносными отложениями (при выбросах до 30-42 тыс. м3/сут., при обычных выделениях 1,5-8,0 тыс. м3/сут) и происходят при вскрытии коллекторов. Поэтому выработки первой очереди проходки (скважины, капитальные, подготовительные и нарезные выработки) отличаются наибольшей газообильностью и выполняют роль дегазационно-осуши-тельных.
В природных условиях часто приходится сталкиваться с выделениями сложных газовых смесей, состав которых нередко изменяется во времени. При выделениях горючих газов выбросного характера неоднократно в начальный период отмечались высокие содержания особовзрывоопасного водорода (табл.), которые значительно снижались по истечению дней или нескольких часов [1]. Как правило, такие явления наблюдались при фонтанных выделениях газожидкостных смесей. Объяснение таких явлений можно найти при рассмотрении физических процессов, происходящих при нарушении естественных условий напорных водогазовых сред. При падении пластового давления происходит выделение растворенных газов с различной интенсивностью в зависимости от растворимости и концентрации отдельных компонентов [3]. При этом относительные концентрации выделяющихся газов изменяются по сложной зависимости (рис. 1). В смеси углеводородных газов, водорода, азота и оксида углерода наи-
большие изменения происходят с водородом и углекислым газом, концентрация первого из них в газовой фазе падает, а второго - возрастает. Вследствие этого первые порции газовой фазы характеризуются высокими содержаниями малорастворимых водорода и гомологов метана, а концентрация метана мало изменяется по мере падения давления.
Наибольшая интенсивность газовыделений из вод наблюдается у места их изли-ва. Наиболее опасных масштабов достигают газовыде-ления при быстром истечении вод (прорывы из трещин и скважин), когда происходит резкое снижение внешнего давления и выделение большого количества газов за короткое время. Поэтому при изливе газонасыщенных вод нередки случаи образования загазованных зон в выработках и на поверхности около скважин (разведочных, осушительных и т.п).
Выделение газов из напорных подземных вод начинается при снижении гидростатического давления Н в водоносном горизонте до величин, меньших упругости растворенных газов Р: условие дегазации вод S > (Н-Р),
0,001 0,01 0,1 1 10 100
Состав газа, об.%
Рис. 1. Зависимость концентрации компонентов природного газа, выделяющегося из раствора (воды), от давления и температуры (с использованием данных А.Ю. Намиота [3]и Я. Крайча)
где S - понижение пластового давления. При этом степень дегазации подземных вод (а) и удельное количество выделившихся газов в большинстве практических случаев можно считать линейной функцией гидростатического давления, изменяющегося от 0 при Н > Р до 1 при атмосферном давлении (рис. 2).
Оценка возможных начальных притоков газа из водогазоносных коллекторов на месторождении трубки “Мир” проведена с использованием зависимостей двухфазной фильтрации, используя условие квазистационарности осесиметричного потока газированной жидкости [4, 5].
Предварительные расчеты показывают, что при изливе вод в количестве 1500 м3/час максимальное газовыделение из них может достигать 4 тыс. м /сут при газовом факторе 0,25. При этом выявлена важность надежной оценки естественной газонасыщен-ности вод, так как при увеличении газового фактора от 0,1 до 0,25 интенсивность газовыделений увеличивается, согласно расчетам, почти в 20 раз: с 200 до 4000 м3/сут [4].
Интенсивность газовыделения из излившихся I вод пропорциональна дебиту вод и их газонасыщенности и может быть определена по зависимости [6]:
I = Q (Гн - Гк), м3/час
б о (р /5 2р
Ла&яенг/с $ Водоносна*/ 'пласте /'ДШа
Рис. 2. Зависимость степени дегазации напорных вод и количества выделившегося газа от давления в водоносном пласте
где Р - приток вод в выработку, м3/час; Гн, Гк - газовый фактор вод на изливе в выработку и на выходе из нее, м3//м3
Как показали натурные наблюдения в выработках рудников Норильска и Приморья, выделение метана из текущих по ним вод происходит быстро и практически прекращается на расстоянии 150200 м от места излива.
Для обеспечения газобезопасных условий труда при разработке обводненных месторождений приходится применять ряд специальных мероприятий, включающих усиленную вентиляцию, дегазацию и осушение массива, нейтрализацию токсичных газов и т.п.
С целью прогнозирования газовыделений, связанных с подземными водами, и обоснованного планирования мероприятий по предотвращению и снижению вредного влияния настоятельно необходимо проводить своевременное изучение газоносности подземных вод с определением состава и количества растворенных в них газов, а также всестороннее исследование процессов газоотдачи вод, заполнения осушенного массива газами и передвижения их к горным выработкам.
Таким образом, внедрение горных выработок в подземную гидросферу может вызвать значительные ее изменения, и подзем-
ные воды являются в определенных геологических условиях активным природным фактором, влияющим на газобезопасность горнодобывающих предприятий.
----------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Матвиенко Н.Г. Газобезопасность освоения рудных месторождений. -ГИАБ, 2000, № 7. - С. 31-34.
2. Романовский Н.Н. Общее мерзлотоведение (геокриология), 2 изд. М.: 1978. -318с.
3. Намиот А.Ю. Фазовое равновесие в добыче нефти. - М.: Недра, 1976, 183
с.
4. Сердюков Л.И. Оценка потенциальных газовыделений из газонасыщенных подземных вод при водопонижении. В сб. “Совершенствование методов оптимального использования минеральных ресурсов”. - М.: ИПКОН АН СССР, 1980. -С.124-136.
5. Шульруфер Л.М. О газодинамических процессах на кимберлитовых месторождениях Якутии. В сб. “Повышение эффективности разработки твердых полезных ископаемых”. - М.: ИПКОН АН СССР, 1980. - С. 210-223.
6. Матвиенко Н.Г., Пихлак А.А. Газовыделение при разработке обводненных месторождений твердых полезных ископаемых. Сб. “Прогноз и предотвращение газопроявлений при подземной разработке полезных ископаемых”. - М.: ИПКОН АН СССР , 1982, С. 43-53.
— Коротко об авторах
Матвиенко Н.Г. - ИПКОН РАН.
