CC BY
51
------------------------------------------------------- НОВИНКИ
ИЗДАТЕЛЬСТВА МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
Королева В.Н. Извлечение и утилизация шахтного метана. — 286 с.
ISBN 5-7418-0322-9
Рассмотрены факторы, влияющие на повышение эффективности извлечения метана из угленосной толщи. Дано обоснование выбора комплексонов в качестве жидкостей-растворителей минеральной составляющей угля и связующего цемента пород при гидрорасчленении угленосной толщи. Приведены результаты исследований коллекторских, прочностных и деформационных свойств углей и вмещающих пород, обработанных водными растворами комплексонов, а также научное обоснование и оценка возможности утилизации шахтного метана на основе газогидратных процессов. Разработаны технологические схемы по утилизации шахтного метана из дегазационных метановоздушных смесей газогидратным способом и по извлечению метана из вентиляционной струи шахты на основе сорбционных и кристаллизационных процессов.
Для инженерно-технических работников топливно-энергетического комплекса, специалистов научно-исследовательских и проектных организаций угольной и газовой промышленности.
Табл. 73, ил. 84, список лит. 137 назв.
УДК 622.232: 622.272
----------------------------------------------- © В.В. Г урьянов, 2005
УДК 622.411.33 В.В. Гурьянов
ВЗАИМОСВЯЗЬ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ГАЗОНАСЫЩЕННЫХ УГЛЕНОСНЫХ ТОЛЩ И ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ ИХ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ИЗВЛЕЧЕНИИ МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Свойства горных пород в массиве существенно зависят от конкретных условий их залегания, степени неоднородности и анизотропности. Наряду со структурными неоднородностями значительную роль играют следующие факторы: мощность, характер и формы залегания породных тел, их механические свойства,
слоистость, чередуемость, степень жесткости или пластичности, гидрогеологические условия различных участков массива и т.д.
Исключительно большое влияние на свойства и поведение горных пород в массиве оказывает взаимное расположение слоев с различными механическими свойствами. Одни и те же слои пород, расположенные во вмещающих породах с различными свойствами, ведут себя при деформировании совершенно различно. Так, угольные пласты ведут себя как жесткие тела в толще пластичных глинистых пород, но пластически деформируются, если расположены в толще более жестких пород [1].
Эти особенности свойств и поведения горных пород, слагающих углевмещающие толщи, приобретают важное значение при выборе способов дегазации угольных пластов и заблаговременного извлечения (добычи) угольного метана из высокогазоносных угольных месторождений.
До последнего времени в практике освоения угольных месторождений при проведении их детальной геологической разведки углевмещающая толща месторождений изучалась не полностью (как по глубине залегания пластов, так и по их характеристикам), ограничиваясь, как правило, будущими параметрами угледобывающего предприятия.
В связи с новым подходом к освоению георесурсов высокогазоносных угольных месторождений требуется более глубокое и всестороннее изучение их геологических характеристик.
В целях расширения геологической информации о перспективных метаноугольных месторождениях в Кузнецком и Печорском угольных бассейнах нашей страны в ИПКОН РАН осуществлено обобщение и анализ материалов детальной геологической разведки (доразведки) шахтных полей в этих бассейнах, производившейся в 70-80 годах прошедшего столетия. Детальному изучению и анализу были подвергнуты геологические отчеты по 4 участкам Печорского угольного бассейна и 9 участкам Кузбасса.
Результаты выполненного анализа позволили установить, что основная часть углеметановых месторождений Кузнецкого и Печорского угольных бассейнов представляет из себя мощные углевмещающие толщи (в сотни метров), сложенные десятками угольных пластов и пропластков различной мощности, в основном поло-
гого и наклонного залегания с высокой метаноносностью, которые по строению, составу и свойствам слагающих их горных пород можно подразделить на 6 основных типов:
1. Глинистый комплекс пород с пластами угля средней мощности.
2. Глинистый комплекс пород с пластами угля средней мощности и мощными.
3. Преимущественно глинистые породы с включением слоев песчаников и пластов угля средней мощности.
4. Преимущественно песчаники с включением слоев глинистых пород и угольных пластов средней мощности.
5. Преимущественно песчаники с включением слоев глинистых пород и мощных угольных пластов.
6. Глинистый комплекс пород с включением слоев песчаников и мощных угольных пластов.
Углевмещающие тощи практически всех анализировавшихся участков имеют в своем составе водоносные горизонты, приуроченные, как правило, к породам кровли угольных пластов. Количество водоносных горизонтов, мощность обводненных пород, режим поземных вод и их удельный дебит различаются по участкам.
Имеющаяся в научно-технической литературе геологическая информация о строении, нарушенности и других геологических характеристиках высокогазоносных угольных пластов содержит данные об этих свойствах пластов, предназначающихся, 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.
Для восполнения имеющегося пробела в данной области было проведено обобщение материалов о геологических характеристиках 1480 высокогазоносных угольных пластов Кузнецкого и Печорского угольных бассейнов и месторождений Восточного Донбасса, а также Карагандинского бассейна [2,3].
С учетом отмеченных особенностей строения и характеристик высокогазоносных углевмещающих толщ и угольных пластов в 1999-2004 гг. в ИПКОН РАН была осуществлена программа перво-
очередных исследований изменения геомеханического состояния горного массива при извлечении из него флюидов [4-6].
Анализ результатов изучения строения и геологических характеристик углевмещающих толщ и исследований изменения геоме-ханического состояния массива горных пород и угольных пластов при извлечении из них флюидов позволяет сделать следующие выводы.
Извлечение из угольных пластов метана и воды приводит к нарушению их природного геомеханического состояния. При этом в угольных пластах происходит усадка угольного вещества с одновременным изменением их напряженного состояния, раскрытия природной и формирования дополнительной (техногенной) трещиноватости, что приводит к повышению газопроницаемости пласта, интенсификации выделения свободного и десорбции связанного метана с последующей активацией процессов деструкции системы "уголь-метан".
Происходящее изменение наряжено-деформированного состояния угольного пласта (его разгрузка и пригрузка) в свою очередь ведет к перераспределению горного давления в слоях пород углевмещающей толщи и их "разуплотнению", т.е. соответствующему изменению их напряженно-деформированного состояния. Зона разуплотнения углевмещающей толщи (по нормали к напластованию пород) распространяется на выше- и ниже лежащие (от рассматриваемого угольного пласта) слои горных пород и заключенные в них другие угольные пласты и пропластки. Размер этой зоны вверх от пласта всегда больше ее размера вниз от пласта и зависит от многих горногелогических параметров: глубины залегания рассматриваемого пласта, его мощности, строения, прочности (крепости) угля; структуры пород углевмещающей толщи, их мощности и прочности и т.д.
В свою очередь у угольных пластов, попавших в зону разуплотнения углевмещающей толщи, происходит изменение их напряженно-деформированного состояния. При этом в под- и надрабаты-ваемых пластах образуются свои зоны разгрузки и пригрузки.
Степень изменения напряженно-деформированного состояния слоев горных пород и угольных пластов характеризуется уменьшением или увеличением (при пригрузке) действующих напряжений, их видом (растяжения, сжатия или сдвига), величиной усадки
(уменьшения мощности) породного слоя или угольного пласта. В зоне пригрузки угольного пласта или слоя породы наблюдается повышение (концентрация) действующих напряжений, обуславливаемая опорным давлением налегающей толщи пород.
Как уже отмечалось, величина указанных параметров зон разуплотнения и разгрузки зависит от большого количества разнообразных горногеологических и производственно-техни-ческих факторов. К числу важнейших горногеологических факторов, как показали проведенные исследования, следует отнести наличие и распределение в углевмещающей толще слоев "пород-мостов", характеризующихся значительной упругостью и жесткостью. Как правило, в угленосных отложениях породы-мосты формируются из мощных слоев прочных песчаников и алевролитов.
Особенностью пород-мостов является их высокая устойчивость к деформациям и способность выдерживать большие нагрузки залегающих над ними толщ менее прочных пород. Эти свойства таких слоев пород, в частности, проявляются в их экранирующем воздействии на другие породы горного массива.
Эти специфические особенности пород-мостов, как показали проведенные исследования, значительно влияют на формирование напряженно-деформированного состояние пород углевмещающей толщи при извлечении из нее флюидов.
Проведенные исследования также показали существенное влияние порядка дегазации угольных пластов в свите на эффект подработки-надработки.
Изложенные результаты исследований свидетельствуют о необходимости оценки и учете структуры и строения углевмещающей толщи пород при проектировании и планировании работ по заблаговременному извлечению (добыче) метана из высокогазоносных угольных месторождений.
Особо следует отметить, что указанные результаты и выводы сделаны на основе теоретических и лабораторных исследований и, естественно, нуждаются в проверке в натурных условиях. Поэтому при проектировании работ по извлечению угольного метана необходимо предусматривать проведение комплекса натурных исследований сдвижения горных пород при извлечении флюидов из углевмещающей толщи.
Угленосность отложений (количество угольных пластов, их мощность и распределение в разрезе) являются не только основой оценки сырьевой базы угледобычи, но и служат (совместно с мета-ноносностью) основной расчетной геологической информацией для оценки прогнозных ресурсов метана и выделения продуктивных групп угольных пластов.
Перспективная оценка и выделение продуктивных групп пластов должны учитывать величину интервала ("шага") воздействия того или иного метода повышения газоотдачи пластов. Основными способами повышения газоотдачи угольных пластов, освоенными на практике являются пока гидродинамические (гидроразрыв, кавитация). По опыту работ зарубежных фирм интервалы гидродинамического воздействия в скважине изменяются обычно от 75-100 до 150-200 м. В одной скважине могут быть обработаны гидроразрывом или кавитацией один или несколько интервалов. Поскольку стоимость такой обработки достаточно велика (соизмерима со стоимостью бурения скважины) и зависит как от интервала воздействия, так и от количества интервалов в скважине, воздействие на разрозненные или одиночные маломощные пласты может оказаться экономически нецелесообразным. Это обязывает в каждой свите выделять наиболее перспективные (продуктивные) группы пластов в интервалах разреза до 150-200 м
[7].
Указанный подход к формированию продуктивных групп (интервалов) пластов углевмещающей толщи имеет два крупных недостатка: он не учитывает технологические особенности осуществления ряда новых видов техногенного воздействия, а также не позволяет в полной мере использовать особенности строения углевмещающих толщ, в части экранирования угольных пластов плохо проницаемыми горными породами.
Вышеизложенное свидетельствует, что определение размеров интервалов продуктивных групп угольных пластов должно осуществляться на основе анализа структуры и свойств горных пород рассматриваемой углевмещающей толщи, особенностей их сдвижения при извлечении флюидов и технологических особенностей намечаемых видов техногенных воздействий для интенсификации газоотдачи пластов.
Возможные варианты определения продуктивных интервалов угольных пластов рассмотрим на примере их формирования применительно к углевмещающим толщам Талдинской и Томской площадей Кузбасса.
Авторы работы [7] при рассмотрении основных критериев выделения продуктивных групп угольных пластов и определении их мощности (толщины) для различных районов перспективных площадей Кузбасса считают, что наиболее рациональными являются размеры продуктивных интервалов в пределах от 90 до 170 м при суммарной мощности угольных пластов от 10 до 15 м.
Использование предложенного нами подхода формирования продуктивных интервалов и определения их толщины с учетом закономерностей влияния геомеханических процессов, происходящих в углевмещающей толще при извлечении из нее флюидов, на газопроницаемость угольных пластов позволяет обосновывать иные параметры формируемых продуктивных интервалов.
Анализ стратиграфических разрезов углевмещающих толщ этих месторождений позволяет, в первом приближении, выделить следующие виды продуктивных интервалов в зависимости от их размеров, мощности и количества угольных пластов и пропласт-ков в интервале, состава и свойств вмещающих горных пород, включая их газонасыщенность, а также порядка чередования угольных пластов и пропластков с соответствующими слоями вмещающих горных пород.
1. Продуктивный интервал в составе одного мощного пласта.
2. Продуктивные интервалы небольших размеров в составе одного мощного пласта и нескольких сближенных маломощных угольных пластов или пропластков, разделенных трещиноватыми или пористыми газонасыщенными породами.
3. Продуктивные интервалы средних и значительных размеров, состоящие из нескольких угольных пластов и пропластков различной мощности и примерно одинаковой газопроницаемости, разделенных сравнительно однородными вмещающими горными породами.
4. Продуктивные интервалы средних или значительных размеров, состоящие из нескольких угольных пластов (пропласт-ков) различной мощности и газопроницаемости, разделенных разнородными по свойствам и характеристикам вмещающими
горными породами, в т.ч. трещиноватыми газонасыщенными породами.
5. Продуктивные интервалы значительных (максимально возможных) размеров, состоящие из большого количества маломощных и реже средней мощности угольных пластов и про-пластков, разделенных более или менее однородными горными породами глинистого комплекса (в основном глинистыми сланцами и аргиллитами, реже алевролитами),
Рис. 1. Возможные варианты формирования продуктивных интервалов угольных пластов при заблаговременном извлечении (добыче метана)
Рис. 2. Возможные варианты формирования продуктивных интервалов угольных пластов при заблаговременном извлечении (добыче) метана на Томской площади Кузбасса
>
в т.ч. с включением слоев трещиноватых газонасыщенных пород.
Как известно, эффект подработки-надработки может проявляться при наличии в продуктивном интервале не-сколь-ких сближенных пластов, что характерно для всех видов продуктивных интервалов, за исключением первого вида (одиночный мощный угольный пласт).
Из геологических данных известно, что встречающиеся в углевмещающих толщах Кузбасса песчаники и алевролиты имеют большую прочность (Осж), соответственно от 500 до 2000 кг/см и от 200 до 1400 кг/см2. Достаточно мощные, монолитные слои таких пород формируют породы-мосты, характеризующиеся значительной жесткостью и экранирующим действием. Исходя из этих особенностей строения и свойств углевмещающих толщ пород Талдин-ской и Томской площадей Кузбасса предлагаются, с учетом мощности угольных пластов, возможные варианты формирования продуктивных интервалов угольных пластов, представленные на рис. 1 и 2.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Турчанинов И.А., Иофис М.А., Каспарьян Э.В. Основы механики горных пород. - Л.: Недра. 1989. - С. 48-49.
2. Гурьянов В.В. О разработке моделей коллекторов метана газонасыщенных углевмещающих толщ. Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ. № 9, 2004. - С. 135-141.
3. Гурьянов В.В., Новикова И.А. Обобщение и анализ геологических характеристик высокогазоносных угольных пластов. Горный информационноаналитический бюллетень. №8, 2004, - М.: Изд-во МГГУ. - С. 179-183.
4. Гурьянов В.В., Иофис М.А. О повышении эффективности заблаговременной дегазации свиты угольных пластов на основе управления геомеха-ническими процессами в горном массиве. Горный информационноаналитический бюллетень. № 7, 2000, - М.: Изд-во МГГУ. - С. 146-149.
5. Гурьянов В.В. Направления исследований геомеханических процессов в углевмещающей толще горных пород при извлечении метана из неразгруженных пластов и методические подходы к их проведению. Горный информационно-аналитический бюллетень. № 5, 2001, - М.: Изд-во МГГУ. - С. 1419.
6.Гурьянов В.В., Трофимов В.А., Шик В.М. Результаты моделирования геоме-ханических процессов в углевмещающей толще при извлечении из нее флюидов. Г орный информационно-аналитический бюллетень. № 6, 2002, - М.: Изд-во МГГУ. - С. 62-66.
7.Золотых С.С., Карасевич А.М. Проблемы промысловой добычи метана в Кузнецком угольном бассейне. - М.: Изд-во "ИСПИН", 2002. - С. 71-76.
— Коротко об авторах
Гурьянов В.В. - ИПКОН РАН.
