CC BY
3Т. П. Волкова, К. В. Репина
УДК 550.83: 553.9
ОЦЕНКА ЛОКАЛЬНЫХ ФАКТОРОВ ГАЗОНОСНОСТИ НА ПОЛЕ ШАХТЫ КАЛИНОВСКАЯ-ВОСТОЧНАЯ
Статья посвящена выявлению связей величины газоносности с особенностями тектонического строения шахтного поля. Прослежена изменчивость газоносности угольных пластов как по разрезам, так и по площади. Установлено, что максимальная изменчивость газоносности происходит в зонах дизъюнктивных нарушений. Повышенная газоносность поля шахты Калиновская-Восточная вызвана условиями затруднённой дегазации угленосных отложений, обусловленных изгибами угольных пластов в складки, наличием надвигов, экранирующих выходы газа, и слабопроницаемых аргиллитов в кровле угольных пластов.
Ключевые слова: шахтное поле, угольный пласт, дизъюнктивное нарушение, дегазация, складчатые структуры.
Введение. Поле шахты Калиновская-Восточная относится к Донецко-Макеевскому углепромышленному району. Геологическое строение шахтного поля очень сложное. Это связано со значительным развитием пликативной тектоники и наличием большого числа дизъюнктивных нарушений.
Материалы и методы исследования. Структурно шахтное поле расположено в сводовой части Калиновской антиклинали, занимая два её крыла и часть Макеевской синклинальной складки (рис.1).
Практически со всех сторон границами шахтного поля являются крупные надвиги, протягивающиеся по всему району: с юга шахтное поле ограничено Итальянским надвигом, на северо-западе - Первомайским, на севере и северо-востоке находятся Французский и надвиг Тимошенко [1].
Для Донецко-Макеевского района установлена повышенная газоносность крупных пликативных структур, дизъюнктивных систем надвигов и сбросов [2]. Калиновская флексура является одной из самых крупных пликативных структур Донецко-Макеевского углепромышленного района. К северо-востоку она продолжается Криничанским надвигом, на юго-западе - ограничивается Калининским и Первомайским надвигами.
Условные обозначения: 1 - изогипсы пласта k8; тектонические разрывы; 3 - горные работы; 4 - разведочные скважины; 5 - газопроявления: выбросы (а), газирующие скважины (б); 6 - ось Калиновской антиклинали
Рис. 1 - Структурное положение поля шахты «Калиновская-Восточная» в пределах Калиновского купола
В скважинах разведочных профилей (нумерация с запада на восток с I-I' по XI-XI') зафиксированы многочисленные газопро-
явления (скв. МС-178, МС-62, МС-64, МС-65, МС-69, МС-50, 3167, рис. 1) пределах Калиновской флексуры. Установить локальные факторы распределения газоносности и наличие структурных ловушек газа на поле шахты «Калиновская-Восточная» было основной задачей наших исследований, первые результаты которых излагаются в данной статье.
Марочный состав углей, отрабатываемых шахтой, меняется от жирных и коксовых до отощённо-спекающихся и тощих [3]. Переходная зона нестабильности показателей степени метаморфизма углей расположена в северо-восточной части шахтного поля. Известно, что для углей марок ОС-Т максимальная газоносность на глубинах 500-600 м составляет 22-32 м /т с.б.м., с повышением её до 36,2 м /т с.б.м. на глубинах свыше 1000 м [4]. Именно эти цифры были приняты нами для сравнительной оценки величины газоносности углей изучаемого шахтного поля.
Зависимость газоносности от глубины залегания угольных пластов проведена на различных участках шахтного поля как по одной скважине, удалённой от тектонических нарушений (рис. 2, скв.
135 профиль У-У1),
так и скважине, расположенной в зоне значительной тектонической нарушенности (рис. 3, скв. МС-307, профшь IX- IX1). Стратиграфическая последовательность залегания угольных пластов в разведочной скважине (рис. 2) позволяет оценить весь разрез угольной толщи шахтного поля. Относительную глубину их залегания можно увидеть на рисунке 3.
30
= о
- «Ь V V. V К К ^ к* к,
434,7 503,3 551,8 674,6 767,6 777,3 817,4 1027,6 1054,6 1107
Индекс пласта. Глубина, м
Рис. 2 - График изменчивости газоносности по скважине от стратиграфической глубины залегания угольных пластов
Природная газоносность наиболее глубоко залегающего на поле шахты угольного пласта к42н очень высокая - в среднем око-
3 3
ло 30 м /т с.б.м. Максимальное значение 34,8 м /т с.б.м. отмечено на глубине свыше 700,6 м.
35
• 30 iq
<J
J- 25 о
■Л H w о X w о X о
M
20
15
10
509.1
638.8 670.8
535.9 1000.2 1029.1
Глубина, м
1058.1 1106
1115
5
0
Рис. 3 - График зависимости газоносности от глубины в зонах интенсивной тектонической нарушенности
В зонах тектонической нарушенности наблюдается большой размах значений газоносности. Причём даже на больших глубинах по отдельным участкам шахтного поля наблюдается снижение газоносности относительно среднего значения для такого уровня залегания. Например, пласт к42н, залегающий на глубине свыше 1000 метров в зоне влияния надвига Каменского (скв. МС-307, профиль IX), имеет газоносность 19,8 м3/т с.б.м.
Замыкание Калиновской антиклинали на северо-востоке установлено горными работами шахты «Калиновская-Восточная» по пластам /11, 11, к6н, к5\ Общее простирание пород с юго-запада на северо-восток нарушается с появлением складчатых и дизъюнктивных тектонических нарушений. К западу от центра складки в угольных пластах /4, /1, /1 горными работами на участке «Ново-Калиново» установлено дополнительное куполовидное поднятие, которое в нижележащих пластах отсутствует [3]. Это объясняет максимальную газообильность этих пластов на поле шахты.
Теоретически купольная часть Калиновской антиклинали должна характеризоваться максимальной газоносностью [1], [2]. Ширина сводовой части этой структуры уменьшается с глубиной от 3,5х1,5 км по пласту /4, и до 2х0,6 км по пласту к41. Складка относится к типу сундучных, имеющих различную степень асимметрии на разных участках шахтного поля. Южное крыло Калиновской антиклинали постепенно переходит в северное крыло Макеевской синклинальной складки, которая с юга ограничена Ясиновско-Ждановской флексурой. Складка имеет асимметричную форму с пологим южным крылом (2-14°) и более крутым северным (8-25°), при этом ширина южного крыла в 2-3 раза превышает ширину северного [3]. Донная часть синклинали имеет практически горизонтальную форму на протяжении около 500 м. Южное крыло синклинали прослежено горными работами шахты № 13бис и шахты им. Ленина. Газоносность северного крыла синклинали определена по замерам в разведочных скважинах и частично в горных выработках шахты «Калиновская-Восточная».
В зависимости от наличия мощных зон дробления, являющихся коллекторами газа, и плоскости сместителя, препятствующего его миграции, структура надвигов способствует формированию аномальных скоплений газа [1]. Наиболее крупные надвиги шахтного поля протягиваются вдоль всего Донецко-Макеевского района. В зависимости от угла падения сместителя, мощности зоны дробления и наличия дополнительных тектонических нарушений, зона влияния дизъюнктива и изменение газоносности углей шахтного поля проявлено по-разному. Наши исследования были направлены на разделение участков тектонических нарушений с дегазирующей и, наоборот, с аккумулирующей ролью сместителей.
Проверка этих условий по замерам газоносности в скважинах нами была проведена по наиболее протяжённым надвигам поля шахты «Калиновская-Восточная», характеристики которых по району в целом, и по шахтному полю (в скобках) приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Характеристики надвигов по району и шахтному полю (в скобках)
Наименование надвига Протяжённость, км Азимут и угол падения сме-стителя Мощность зоны дробления, м Амплитуда смещения, м
Французский > 70 (6) 340°; 55° 57-232 (165) 57-232 (165)
Тимошенко 25-30 (4,8) 320°; 20° 75-350 (120) 57-232 (165)
Итальянский > 20 (5,5) 190°; 25° 7-130 (40) 60
Калиновский 6 (3,6) 10°; 60° 15-57 (30) 75-91 (35)
Первомайский 40 (3,5) 140°; 55° 25-450 (150) 110-586 (250)
Диагональный 6 (2,2) 200°; 18° 18-95 (55) 58-82 (75)
Каменский 1,6 130°; 75° 8-220 (60) 10-23 (15)
Промежуточ- 7,5 (3,5) 130°; 15° 8-80 (30) 8-35 (25)
ный
Французский надвиг является одним из самых крупных разрывных нарушений Донецко-Макеевского района. Его длина составляет около 70 км [1]. В пределах поля шахты «Калиновская Восточная» его протяжённость около 6 км (табл.1) и на северо-востоке он является естественной границей шахтного поля [3]. Наибольшая амплитуда и мощность зоны дробления Французского надвига установлена на северо-востоке при слиянии его с надвигом Тимошенко. По документации керна скважины МС-50 установлена зона дробления мощностью около 50 метров с наличием хорошо выраженных зеркал скольжения. На глубине -114,2146 м установлен газирующий горизонт по известняку L1 и угольному пласту к8. Нижезалегающие породы свиты С25, расположенные под смесителем Французского надвига, имеют высокую газоносность в сравнении с выше приведенными данными для марочного состава углей. В крайней северо-восточной части шахтного поля по скважине МС-57 под Французским надвигом в пласте к51 (глубина 612 м) и пласте к41 (глубина 714,6 м) значение газоносности составило соответственно 26,2 и 24,2 м3/т с.б.м. На
северо-западе Французский надвиг пересекается с более молодым Первомайским надвигом. Зона дробления по скважине № 2426 (профиль 1У-1У1) составляет более 200 метров, амплитуда сдвига пластов - 150 м.
Итальянский надвиг является границей шахтного поля на юге. Простирание надвига очень сложное: на юго-западе оно меридиональное и даже северо-западное, на оцениваемой площади близкое к широтному, а на юго-восток меняется на юго-восточное. Имея небольшой угол падения сместителя (25 °) с северо-востока на юго-запад, изменчивую амплитуду и простирание, это нарушение тянется через всё шахтное поле, начиная с первого профиля на юго-западе и до седьмого - на северо-востоке. На западе надвиг установлен в скважинах на глубинах свыше 1000 метров, далее на восток поднимается до глубины 500 м с выходом на поверхность в скважинах VII профиля. Влияние Итальянского надвига на газоносность меняется по простиранию. Учитывая, что зона дробления надвига по шахтному полю в среднем составляет 40 метров (см. табл. 1), нами проанализированы замеры газоносности, расположенные в 50—метровой зоне под надвигом по его простиранию с запада на восток (рис. 4). Последний замер газоносности, сделанный в скважине МС-444 шестого профиля большая часть пластов, в которых сделаны замеры, имеют низкую газоносность, несмотря на глубину залегания:
о о
к4 -13,8 м /т с.б.м; 11 - 19 м /т с.б.м.
Рис. 4 - Изменение газоносности по простиранию Итальянского надвига
Очевидно, что проявляется дегазирующее влияние надвига. Горными работами на поле шахты установлено, что значение амплитуды нарушения уменьшается с запада на восток и зависит от наличия ответвлений надвига. В последнем случае мощность зоны дробления резко увеличивается. В скважине МС-314, расположенной на восточной части надвига, зона дробления, установленная по документации керна, составляет 70 метров, что объясняется появлением нижней ветви № 5 Итальянского надвига. Выше, на глубине 420 м по пласту /8 установлено свободное газовыделение.
Калиновский надвиг берет начало на северо-западе на поле шахты им. А. В. Батова, расположенного на юго-западе от изучаемой площади. На поле шахты «Калиновская-Восточная» надвиг установлен в пределах южного крыла антиклинали. Максимальное значение амплитуды 91 м установлено горными работами в северо-западной части шахтного поля. Влияние Калиновского надвига на газоносность прослежено нами по скважинам третьего профиля, где площадь, занимаемая надвигом, наибольшая. Газоносность угольных пластов, залегающих выше и ниже сместителя надвига достаточно низкая, в среднем около 12 м /т с.б.м. Рост газоносности пластов, залегающих ниже сместителя повышается с ростом глубины, достигая значений 28,6 м3/т с.б.м. для пласта к51 (скв. МС-62, глубина 700 м). Экранирующего влияния Калиновского надвига на газоносность не установлено. Зона дробления увеличивается при пересечении с Калиновским сбросом, установленном в западной части южного крыла антиклинали.
Первомайский надвиг, являясь границей шахтного поля на севере, имеет северо-восточное простирание, углы падения сме-стителя в пределах шахтного поля изменяются от 20 до 30 уменьшаясь с глубиной. Его влияние на газоносность угольных пластов шахты Калиновская-Восточная не установлено в связи с отсутствием замеров. В северо-восточном направлении, в районе Ганзовского комплекса шахт его амплитуда составляет 120 м и влияние на распределение газа должно увеличиваться.
Анализ площадного распределения газоносности проведен нами по угольному пласту к8 в пределах всего шахтного поля (рис. 5). Морфометрия изогипс угольного пласта хорошо отража-
ет положение всего шахтного поля в сводовой части Калиновской флексуры.
Более крутое и приподнятое северное крыло в западной части постепенно погружается на юго-восток с переходом на крыло Макеевской синклинали. В северо-западной части шахтного поля средняя газоносность составляет 15 м /т с.б.м. Более глубокое залегание пласта в юго-восточной части шахтного поля объясняет в региональном плане и повышенную газоносность.
Максимальное значение газоносности (29,6 м /т с.б.м.) пласта к8 на поле шахты установлено по скважине МС-305 в крайней северо-восточной части поля (профиль Х-Х'), где пласт погружается на глубину 650 метров. Локальная составляющая газоносности определяется тектоникой шахтного поля. Большие значения (28,1 м /т с.б.м. скв. МС-133) в юго-западной части пласта обусловлена влиянием верхней ветви Итальянского надвига.
Экранирующее влияние сместителя подтверждается высокими значениями газоносности в скважинах по всем нижезалега-ющим угольным пластам. Кроме того, в кровле пласта к8 залегает аргиллит, препятствующий дегазации угольного пласта. Высокие значения газоносности наблюдаются в центральной части шахтного поля, где в скважинах МС-163 (профиль VI- VI') и МС-320
1 3
(профиль VIII- VIII ) установлены значения 27,9 и 26,5 м /т с.б.м. соответственно. Они приурочены к зоне влияния Итальянского надвига с его многочисленными ветвями и надвига <Ю». На западе шахтного поля пласт к8в, находясь под Итальянским надвигом на глубине 692 метра имеет газоносность 22,2 м3/т с.б.м., восточнее (скв. МС-330, профиль III), практически на той же глубине газоносность пласта к8в чуть выше и составила 23,7 м3/т с.б.м. На VI профиле в скважине МС-328 пласт к8в залегает под Итальянским надвигом на глубине 665 м, имея газоносность всего лишь 12,6 м /т с.б.м. Восточнее, в рядом расположенной скважине МС-444 газоносность этого пласта на той же глубине составила 14,4 м /т с.б.м.
Широко распространены на поле шахты малоамплитудные разрывы (до 10 м), встречаемость которых увеличивается с глубиной. Это ещё в большей степени способствует росту газоносности с глубиной залегания угольных пластов.
Рис. 5 - Изогазы по пласту к8 на поле шахты Калиновская-
Восточная
Заключение. В целом, повышенная газоносность шахтного поля вызвана условиями затруднённой дегазации угленосных отложений, обусловленных изгибами угольных пластов в складки, наличием надвигов, экранирующих выходы газа, и слабопроницаемых аргиллитов в кровле пластов. Максимальные значения 31,2 и 35,3 м3/т с.б.м. по пласту к4х отмечены в крутом крыле флексурного перегиба на глубине 575 метров.
Среди локальных факторов газоносности следует учитывать:
- глубину залегания пласта;
- дизъюнктивную нарушенность участка шахтного поля, роль которой для одного и того же надвига меняется по простиранию с аккумулирующей на дегазирующую;
- пликативную тектонику шахтного поля, влияние которой меняется в зависимости от расположения либо на крыльях синклинали, либо на крыльях антиклинали, либо в сводовой части антиклинали.
Большая часть высоких значений газоносности достигающих приурочена к зонам влияния Итальянского надвига с его ветвями и надвига № 9. Газоносность увеличивается за счёт возрастания интенсивности проявления малоамплитудной тектоники с ростом глубины залегания пластов.
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках государственного задания (№ госрегистрации 1023020700022-32.7.5).
ЛИТЕРАТУРА
1. Анциферов, А. В. Газоносность и ресурсы метана угольных бассейнов Украины / А. В. Анциферов, А. А. Голубев, В. А. Канин и др. // Донецк: Вебер, 2009. - Т.1. - 456 с.
2. Корчемагин, В. А. Структурно-тектонофизическая позиция скоплений метана в угленосных отложениях Донецко-Макеевского района / Корчемагин В. А., Павлов И. О. Никитен-ко А. В. // Науковi пращ ДонНТУ. Серiя «Прничо-геолопчна». -Вип.13 (178). - 2011. - С. 25-30.
3. Геологический отчёт о переоценке запасов каменных углей поля шахты «Калиновская-Восточная» п.о. «Макеевуголь», 1989 г.
4. Анциферов, А. В. Газоносность угольных месторождений Донбасса / Анциферов А. В., Тиркель М. Г., Хохлов М. Т., Привалов В. А., Голубев А. А., Майборода А. А., Анциферов В. А. - К: Наукова думка, 2004. - 231 с.
Волкова Татьяна Петровна, доктор геологических наук, профессор, заведующий геологическим отделом, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
Репина Ксения Владимировна, младший научный сотрудник геологического отдела, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
ASSESSMENT OF LOCAL FACTORS OF GAS CONTENT IN THE FIELD OF THE KALINOVSKAYA-VOSTOCHNAYA MINE
The article is devoted to the identification of the relations of the gas content with the tectonic structure features of the mine field. The variability of the gas content of coal seams has been traced both by sections and by area. It is established that the maximum variability of the gas content occurs in the zones of disjunctive disorders. The increased gas content of the Kalinovskaya-Vostochnaya mine field is caused by the conditions of difficult degassing of coal-bearing deposits, which are caused by bends of coal seams into folds, the presence of thrust shielding gas outlets, and weakly permeable mudstones in the roof of coal seams.
Keywords: mine field, coal bed, disjunctive fault, degasation, folded structures.
Volkova Tatyana Petrovna, Doctor of Geology Sciences, Professor, Head of the Geological Department, [email protected].
Repina Ksenia Vladimirovna, Junior Researcher of the Geological Department, [email protected].
