Газоносность угленосных отложений Донбасса

Состав газов. В состав газов угольных месторождений входят метан, азот, углекислый газ, тяжелые углеводороды (преимущественно этан), водород, инертные газы, сероводород и редкие газы; наиболее распространены метан, азот и углекислый газ.

Происхождение газов неразрывно связано с накоплением и геологической историей развития угленосной толщи. Основная масса метана образовалась в результате процессов регионального метаморфизма углей.

Газ в углях и породах находится в двух состояниях: в свободном и сорбированном. Количество сорбированного газа находится в прямой зависимости от удельной поверхности вещества; с повышением давления оно возрастает и практически достигает предела при 100—120 атм, а с увеличением температуры, влажности и зольности углей понижается. Установлено, что сорбция углями метана повышается пропорционально увеличению степени их метаморфизма.

Сорбционная способность пород значительно ниже, чем углей, так как характер пористости пород иной — поры более крупные с небольшой удельной поверхностью — в связи с чем газоносность пород определяется в основном содержанием свободного газа.

Миграция газов. Перемещение газа в угленосной толще происходит как по угольным пластам, так и по породам, причем преобладает миграция газов по угольным пластам.

Газопроницаемость углей и пород непосредственно связана с их пористостью, но зависит не столько от общего объема порового пространства, сколько от размеров и морфологических особенностей открытых пор и трещин, определяющих возможность перемещения газов.

Газопроницаемость пород иногда бывает выше, чем газопроницаемость углей. Например, очень трещиноватые известняки часто являются коллекторами воды и газа. В районах развития слабометаморфизованных пород (угли марок Д и Г) отдельные горизонты рыхлых и пористых песчаников обладают повышенной проницаемостью (до 1300 миллидарси) и поэтому оказывают большое влияние на деметанизацию близлежащих угольных пластов, которые характеризуются проницаемостью порядка I—40 миллидарси.

По мере увеличения степени метаморфизма резко уменьшается пористость (особенно эффективная) пород, меняется характер порового пространства, в связи с чем газопроницаемость их снижается до 1 миллидарси и менее. В углях подобной прямой зависимости не наблюдается, так как по мере углефикации в них развивается сильная трещиноватость, способствующая повышению газопроницаемости, а также скорости и интенсивности газовыделений.

Проницаемость глубокометаморфизованных углей Донецко-Макеевского района достигает 50—80 и даже 400 миллидарси.

Газовая зональность. Длительный процесс формирования угольных месторождений сопровождался накоплением воздушных газов и одновременной потерей газов углей. Постоянное движение газов привело к закономерному зональному распределению их в толще угленосных отложений. Г.Д. Лидиным установлено, что газовые зоны закономерно сменяют друг друга по вертикали и характеризуются определенным соотношением основных компонентов. Дальнейшие исследования показали, что нет необходимости выделять азотно-углекислую и азотную зоны, так как для решения практических задач достаточно установить зону полного отсутствия метана.

Верхняя граница метановой зоны большинством исследователей принимается по содержанию метана, равному 80%, однако целесообразнее снизить эту границу до содержания 70% метана, так как уже при этой концентрации его угольные пласты резко отличаются по характеру газопроявлений от пластов с меньшим процентным содержанием газа.

В табл. 78 дано сопоставление газовых зон, выделяемых Г.Д. Лидиным и ВУГИ.

Зона углекисло-азотных газов является самой верхней; в некоторых случаях она может отсутствовать полностью, например при наличии мощного газопроницаемого покрова на карбоне или газоподводящего нарушения, когда непрерывный подток газа не компенсируется за счет дегазации.

Установленная газовая зональность распространяется только на угольные пласты. Вмещающие породы содержат небольшие количества метана даже вблизи угольных пластов. Только на окраинах бассейна, где слабометаморфизованные угли располагаются среди пористых хорошо проницаемых пород, часть газа уходит в них.

Переход к количественным определениям метана позволил установить определенное соответствие между зональным распределением природных газов и интенсивностью и характером газопроявлений в шахтных выработках (см. табл. 78).

Зона углекисло-азотных газов отличается отсутствием метана как в углях, так и в выработках. Шахты находятся на негазовом режиме. В некоторых районах, например в Должанско-Ровенецком, больших значений достигает углекислотсобильность (до 25—35 м3 на 1 т суточной добычи). Огромное количество углекислого газа, поступающее в выработки, образуется в основном в процессе окисления углей и лишь часть его обусловлена природной газоносностью.

К зоне метаново-азотных газов приурочено первое проявление метана в угле и нарастание его содержания до 50%, в выработках наблюдаются редкие скопления газа в глухих забоях. Нижней части этой зоны соответствуют постоянные газовыделения, но без свободных проявлений газа из угля. Метанообильность шахт до 5—10 м3 на 1 т суточной добычи.

При вскрытии зоны азотно-метановых газов отмечаются постоянные сильные выделения газа и проявление суфляров из угольных пластов. Метанообильность возрастает до 10—15 м3/т.

В зоне метановых газов широко распространены суфляры, характерны значительные регулярные выделения метана, возможны внезапные выбросы угля и газа по отдельным пластам. Метанообильность шахт превышает 15 м3 на 1 г суточной добычи.

Геологические факторы, влияющие на распределение газов. Первичная газоносность каменноугольных отложений обусловливается главным образом угленасыщенностыо района и степенью метаморфизма углей. Современное распределение газов в Донецком бассейне весьма неравномерно и зависит от следующих важнейших факторов: характера геологической структуры, разрывных нарушений, литологического состава вмещающих толщ, мощности и состава покровных отложений, условий циркуляции подземных вод.

Влияние характера геологических структур. Пласты. залегающие в неразмытых антиклиналях и куполах, имеют условия, более благоприятные для сохранения метана, чем пласты синклинальных складок, так как они не выходят на дневную поверхность, что способствует возможности постоянного подтока газов с нижних недегазированных глубин. Поэтому в пределах одних и тех же глубин угольные пласты, приуроченные к антиклиналям, отличаются значительно большим процентным содержанием метана и имеют небольшую глубину дегазации. Например, в Алмазно-Марьевском районе донные части синклиналей характеризуются полным отсутствием метана до глубины 300—350 м от поверхности, а в антиклиналях метан появляется на глубине 100—150 м (рис. 143).

Интенсивность дегазации структуры зависит от угла падения ее крыльев. Пласты с пологим залеганием отличаются меньшей вертикальной глубиной дегазации, так как метан, перемещающийся по пласту, имеет большую длину пути к выходу, чем при крутом падении. При пологом залегании происходит быстрое нарастание содержания метана с глубиной; мощность переходных зон метаново-азотных и азотно-метановых сильно сокращается, вследствие чего переход от зоны деметанизированных пород к метановой совершается иногда уже в интервале 30—50 м (Алмазно-Марьевский район и др.).

Дизъюнктивные нарушения оказывают большое влияние на процессы миграции газа, а следовательно, и на его перераспределение. В зависимости от характера одни нарушения способствуют сохранению метана в пластах и даже накоплению его, другие же приводят к резкому уменьшению газоносности отложений. Степень газонасыщенности пластов висячего и лежачего крыльев определяется характером нарушения, а также положением его по отношению к геологической структуре.

В Донецком бассейне встречаются нарушения, вблизи которых: газоносность резко возрастает (Итальянский, Таловский, Северодонецкий, Центральный и другие надвиги), и немало нарушений, вблизи, которых газоносность резко снижается (Выдирный, Брянский и другие надвиги); имеются нарушения, не влияющие существенно на изменение газоносности, например Ильичевский надвиг.

Газопроницаемость зон нарушений зависит от мощности самих зон, состава, степени раздробленности и уплотнения пород. По этому признаку можно выделить практически непроницаемые (закрытые) нарушения, хорошо проницаемые (открытые) и обладающие по падению переменной проницаемостью.

Практически непроницаемые нарушения по отношению к простиранию пород занимают продольное или диагональное положение; они представлены в основном надвигами. Во всех случаях, когда угольные пласты, имеющие выход на дневную поверхность, изолируются таким нарушением от своих нижних горизонтов, они подвергаются глубокой деметанизации, так как зона нарушений при этом служит экраном, препятствующим поступлению газа. Пласты, потерявшие вследствие газонепроницаемого нарушения сообщение с дневной поверхностью, наоборот, сохраняют свою первоначальную газоносность, а иногда характеризуются повышенным содержанием газа, постоянно поступающего с больших глубин (рис. 144). Развитие мелкой трещиноватости или наличие пористых вмещающих пород в зоне такого непроницаемого нарушения может привести к свободным проявлениям газа. К числу газонепроницаемых нарушений в Донбассе относится большое число надвигов: Итальянский, Французский, Северодонецкий, Центральный, Алмазный и др.

Хорошо проницаемые (открытые) разрывы способствуют дегазации; они представлены как сбросами, так и надвигами, расположенными обычно вкрест простирания пород. Свободное проникновение газов через зону нарушений обусловливает деметанизанию лежачего и висячего крыльев. Развитие проницаемых нарушений внутри угленосной толщи, не имеющих сообщения с дневной поверхностью, способствует накоплению в них свободного газа. Встреча таких разрывов в выработках сопровождается суфлярными выделениями.

На территории Донецкого бассейна газопроницаемые нарушения получили широкое развитие: Трахтеревский, Войковский, Главный, Фрунзенский сбросы; Луганский, Выдирный и другие надвиги.

Нарушения, характеризующиеся изменением проницаемости по падению, сочетают в себе свойства практически газонепроницаемых и хорошо проницаемых нарушений. Характер того или иного нарушения может изменяться по простиранию в зависимости от геологических условий и соответственно будет меняться значение его в процессах миграции газов.

Покровные отложения, в частности мезо-кайнозойские. развитые в основном на окраинах бассейна, способствуют накоплению и сохранению метана. Степень влияния их зависит от мощности, состава и фациальной выдержанности пород. Месторождения закрытого типа при прочих равных условиях обладают более высокой газоносностью, чем месторождения открытого типа. При глинистом составе покрова, фациальной выдержанности его и большой мощности дегазация угленосной толщи наиболее затруднена.

В некоторых небольших синклинальных структурах, несмотря на наличие покрова, наблюдается малая газоносность, что объясняется древней дегазацией, которая произошла до накопления более молодых отложений и привела к полной деметанизации пластов на всю глубину их распространения. Наличие подобной глубокой дегазации в антиклиналях может быть объяснено развитием крупных нарушений, благоприятным литологическим составом покровных отложений, активной циркуляцией инфильтрационных вод — факторами, способствующими в отдельности или совместно дегазации угольного массива.

В тех случаях, когда древняя дегазация захватывает только верхние части пластов, в результате постоянного привнося газов происходит восстановление газоносности, а при благоприятных геологических условиях накопление свободных метановых газов может быть и в зоне контакта каменноугольных отложений с покровными и даже в последних. Известны, например, метановые залежи, приуроченные к мезозойским отложениям (к песчаникам триаса). При разведке закрытых площадей в скважинах часто наблюдаются свободные газовыделения (Луганский район), а в шахтах резко возрастает метанообильность горных выработок за счет суфляров из вмещающих пород.

Наличие покрова сказывается также на изменении влияния разрывных нарушений, обусловливая затруднения миграции метана. Зоны газоподводящих нарушений при этом характеризуются не пониженной метаноносностью, а скоплением свободных газов.

Литологический состав вмещающих отложений в открытой части Донбасса, где распространены глубокометаморфизованные породы, не имеет решающего значения в процессах миграции, так как здесь перемещение метана происходит в основном по угольным пластам. При слабом метаморфизме толщи, простом тектоническом строении и пологом залегании отложений литологический состав вмещающих толщ приобретает особое значение. В этих условиях метан из угольных пластов дренируется также по хорошо проницаемым породам. Сорбционные силы, удерживающие молекулы газа, на низкой стадии метаморфизма углей незначительны, и газ довольно легко мигрирует во вмещающие породы. Поэтому в районах развития слабометаморфизованных углей пласты, находящиеся в одинаковых геологических условиях, но залегающие среди пород различных литологических типов, сильно отличаются между собой по степени газонасыщенности. Пласты, залегающие среди слабо сцементированных и хорошо проницаемых песчаников или трещиноватых известняков, подвергаются более глубокой дегазации, чем пласты, приуроченные к комплексу глинистых пород, непроницаемых для газа. В результате этого в пределах одной и той же структуры создаются неодинаковые условия для миграции газов как в различных пластах, так и по простиранию в одном пласте.

Подземные воды имеют большое значение в миграции газов. Активная циркуляция их приводит к выносу метана из угольных пластов к дневной поверхности и способствует обмену метаморфических и воздушных газов. Поэтому пласты, расположенные вблизи водоносных горизонтов, как правило, характеризуются пониженной метаноносностью. В закрытой части бассейна (Луганский, Лисичанский и другие районы) отмечаются водоносные горизонты, насыщенные метаном в растворенном и свободном состоянии. По содержанию растворенных газов в подземных водах можно судить о направлении миграции газов и газовом режиме угленосной толщи.

Между химическим составом подземных вод и составом газов, в Донецком бассейне существует определенное соответствие: с глубиной наблюдается возрастание содержания метана в угольных пластах и одновременно изменение солевого состава вод в сторону увеличения содержания хлористого натрия, который в зоне развития чисто метановых газов становится преобладающим.

Гидрокарбонатно-кальциевые и гидрокарбонатно-сульфатно-натриевые воды, находящиеся в зоне активного водообмена, соответствуют зоне углекисло-азотных газов. К зоне метано-азотных и азотно-метановых газов приурочены сульфатно-натриевые воды, с которыми часто связано выделение сероводорода. В нижней части зоны азотно-метановых газов распространены гидрокарбонатно-хлоридно-натриевые воды. Глубинные сильноминерализованные хлоридно-натриевые воды характерны для условий затрудненной циркуляции: они соответствуют зоне метановых газов.

Отдельные районы Донбасса отличаются резким изменением химического состава вод и газов и отсутствием переходных зон, что определяется геологическими особенностями района.

Газообильность. Количество газа, выделяющегося в горные выработки, определяют как газообильность шахт. Наиболее часто в шахтах выделяется метан; различают абсолютную и относительную метанообильность.

Абсолютная метанообильность — количество метана, выделяющееся в горные выработки за сутки (м3/сутки).

Относительная метанообильность — абсолютная метанообильность, отнесенная к суточной добыче угля в этих же выработках.

Шахты Донбасса по относительной метанообильности делятся на следующие категории:

Сведения о распределении шахт Донбасса -по газовому режиму (категориям) приводятся в табл. 79.

Предложены два основных метода прогноза метанообильности угольных шахт: а) горно-статистический Г.Д. Лидина и б) расчет по формуле И.М. Печука. Оба метода требуют знания глубины зоны газового выветривания.

Увеличение метанообильности на 1 т суточной добычи по мере углубления горных выработок в различных районах неодинаково. Интервал глубины, отвечающий увеличению относительной газообильности на 1 м3/т, называется ступенью газообильности (табл. 80).

Из таблицы видно, что ступень метанообильности имеет наименьшие значения (5—10 м) в районах развития антрацитовых и тощих углей; она равна 20—25 м в районах распространения жирных и газовых углей и достигает максимума (40—45 м) в Алмазно-Марьевском районе.

Метанообильность шахт в Донецком бассейне, по Г.Д. Лидину, с глубиной увеличивается постепенно, имея прямолинейную зависимость. Некоторые исследователи считают, что с глубины порядка 1200—1500 м следует ожидать стабилизации метанообильности, так как давления на этой глубине достигают величины, выше которой оно не сказывается на увеличении количества сорбированного газа Давление газа в угольных пластах, замеренное в Центральном и Донецко-Макеевском районах на глубинах от 420 до 855 м, колебалось от 10 до 64 кг/см2 (табл. 81).

Наибольшая газоносность угольных пластов и газообильность шахт выявлена в Донецко-Макеевском, Чистяково-Снежнянском, Боково-Хрустальском и Центральном районах; несколько меньшая в Алмазно-Марьевском, Селезневском, Краснодонском, Белокалитвенском, Лисичанском, Красноармейском и Луганском районах; наименьшая — в Должанско-Ровенецком и Шахтинско-Несветаевском районах.

Методы борьбы с повышенными метановыделениями до недавнего времени основывались главным образом на проветривании горных выработок, однако сейчас поставлены широкие экспериментальные работы по уменьшению метанообильности шахт с помощью дренажных скважин. Из 23 шахт Донецкого бассейна, где осуществляется дегазация, добывается 270 тыс. м3/сутки метана концентрации 80— 98%.