Геологические и гидрогеологические условия газоносности угольных бассейнов и месторождений

Одним из главных факторов для выбора оптимальных параметров угольной шахты является газоносность угольных пластов. На этой основе составляется прогноз газообильности будущей шахты. Количество выделяемого метана позволяет определить поперечное сечение головных выработок шахты, которые должны пропускать необходимое количество воздуха для разбавления метана до безопасной концентрации, а также установить параметры главной вентиляторной установки шахты, котельной, калориферной установки и пневматического хозяйства и оборудования для проходки горных выработок, если газообильность велика и буровзрывные работа становятся опасными.

Поэтому проектировщики придают колоссальное значение правильности прогноза газообильности шахт. Ошибки в сторону его завышения могут привести к необоснованному перерасходу миллионных средств. В то же время занижение его может привести к большим затруднениям при эксплуатации шахты.

Из изложенного видно, что геологи в период разведки обязаны с достаточной полнотой изучать газоносность рабочих пластов и пропластков, устанавливать мощность пород между пластами, степень их газопроницаемости и давать оценку газового дренажа.

Основная задача при изучении геологии газов угольных бассейнов и месторождений — установление закономерностей в изменении состава газов с глубиной, выявление зависимости между развитием тех или иных газовых зон и геологическими и гидрогеологическими условиями, проявление, физико-химических свойств газов в той или иной геологической обстановке и влияние геологических и геохимических условий на возникновение газов и их накопление в угленосной толще. Без выяснения геологических закономерностей газоносности невозможно дать прогноза газообильности шахт.

К настоящему времени проделана большая работа по созданию геолого-газовой службы при геологоразведочных угольных трестах и управлениях в Донбассе, Кузбассе, Караганде и Печоре. В результате выполненных исследований удалось установить основные закономерности газоносности угольных бассейнов и месторождений.

1. В угольных бассейнах образование газов (главным образом метана) связано со всеми процессами углеобразования и дальнейшим метаморфизмом углей, протекавшим в аэробных и анаэробных условиях разложения органического вещества. По окончаний первой стадии углеобразования, когда угольные пласты оказались на большой глубине, биохимические процессы, очевидно стали играть все меньшую и меньшую роль. Образовавшиеся газы сорбировались самим веществом угля, скапливались в больших количествах в виде свободных газов как в пластах угля, так и во вмещающих его породах (если геологические условия для его сохранения были благоприятными), растворялись в глубоких, погребенных или циркулирующих в угленосной толще подземных водах и, наконец, мигрировали к дневной поверхности.

2. Угольные пласты, представленные, в основном, блестящими петрографическими разностями (витрен-клареном), обычно содержат вместе с другими газами, образовавшимися в результате превращения растительного вещества, также и водород, содержание которого в общем объеме газов иногда достигает 20% . Следовательно, различный качественный состав газов угольных пластов обусловлен отличными условиями углеобразования.

3. При отсутствии дегазации метаноносность углей находится в прямой зависимости от степени их углефикации: угли с большой степенью углефикации обладают н более высокой метаноносностью.

4. Метаноносность угленосных толщ обусловливается степенью угленасыщенности и пористостью углей и вмещающих пород. Наибольшая концентрация метана (т. е. наибольшая метанонасыщенность) приурочена к углям, поэтому в угленосной толще необходимо выделять зоны повышенной метаноносности, которые в большинстве случаев располагаются неравномерно и зависят от распределения и группировки угольных пластов и пропластков в различных частях свит, Наибольшая метаноносность угленосной толщи приурочена к зонам более высокой угленасыщенности.

Газ, находящийся в свободной фазе, в основной своей массе заключен в порах угля и вмещающих его пород, а также в трещинах, не имеющих связи с земной поверхностью. Коллекторская способность угленосной толщи в основном определяется пористостью углей и пород.

5. Структура угольных месторождений и степень их тектонической нарушенности также являются факторами, определяющими газонасыщенность угленосной толщи. Основная масса газа (главным образом метана) приурочена к антиклинальным структурам (если они не эродированы) и к зонам флексурообразных нарушений. Наиболее газовыми участками являются гребни антиклиналей, к которым газ мигрирует по пласту или по трещинам из нижних горизонтов. Особенно газоносны антиклинальные структуры, в тех случаях, когда они перекрыты толщей слабогазопроницаемых глинисто-сланцевых пород (например, в Кузбассе участки, где балахонская продуктивная свита перекрыта отложениями кузнецкое свиты, а ерунаковская свита — мезозойскими породами).

В тех случаях, когда дизъюнктивные нарушения выходят на земную поверхность, но ним, как правило» циркулирует вода, это приводит к деметанизации целых зон.

6. Тектонические нарушения являются более газоносными в тех случаях, когда их направление совладает с простиранием основных складок и угольных пластов, так как в этом случае они в большинстве своем являются закрытыми. Нарушения, имеющие нормальное направление к простиранию складок, менее газоносны.

7. Глубина деметанизированной зоны в значительной степени определяется глубиной эрозионного вреза и в большинстве случаев достигает 80—150 м.

8. Гидрогеологические условия угольных пластов и вмещающих пород определяют степень их дегазации, так как миграция газов в угленосной толще осуществляется в значительной мере с помощью подземных вод. Если вблизи угольного пласта или непосредственно в его кровле залегает водоносный горизонт, то этот пласт, как правило, деметанизирован.

Изменение гидрогеологического режима нарушает и газовое равновесие, что приводит к миграции газа.

9. Для всех газоносных угольных бассейнов в общем выдерживается следующая вертикальная зональность газов (сверху вниз):

а) зона азотно-углекислых газов CO2 больше 20% и N2 меньше 80%;

б) зона углекисло-азотных газов СО2 меньше 30% и N2 больше 70%;

в) зона метаново-азотных газов СН4 меньше 70%, СО2 от 0 до 30%, N2 от 15 до 70%;

г) зона азотно-метановых газов CH4 80%, СО2 от 0 до 20%, N2 - 19-77%;

д) зона метановая — СН4 больше 80%. N2 меньше 18% и СО2 меньше 9%.

Глубина залегания верхней границы каждой из указанных зон не является постоянной и колеблется в зависимости от условий и глубины проникновения воздуха, окисления углей в верхних горизонтах, циркуляции подземных вод и т. д.

10. Химический состав подземных вод в угленосной толще зависит от газоносности последней. Для Донецкого, Карагандинского и Печорского бассейнов установлено пять основных гидрохимических типов подземных вод, приуроченных к той или иной газовой зоне. Глубина к мощность этих зон для отдельных районов различна и определяется степенью и глубиной газового выветривания.

Первая зона — воды гидрокарбонатно-кальциевые, приуроченные к зоне азотно-углекислых газов.

Вторая зона — воды гидрокарбонатно-кальциевые и сульфатно-натриевые. приуроченные к зоне углекисло-азотных газов.

Третья зона — воды гидрокарбонатно-сульфатно-натриевые. приуроченные к зоне метаново-азотных газов.

Четвертая зона — воды гидрокарбонатно-натриевые и хлор-натриевые, которые, по-видимому, образуются при метаморфизме сульфатнонатриевых вод по мере циркуляции в глубь угленосной толщи и переходят в метановую зону. В этой зоне про-исходит десульфуризация. Этот тип вод приурочен к зоне азотнометановых или чисто метановых газов.

Таким образом, на основании химического состава подземных вод можно установить, к какой газовой зоне они относятся.

11. Метанообильность шахт чаще всего зависит от скорости газоотдачи угольных пластов, а последняя в большинстве случаев обусловливается степенью углефикации и петрографическим составом угля. Длиннопламенные и газовые угли обладают более высокой газоотдачей, чем жирные угли. Жирные угли, в свою очередь, легче отдают метан, чем угли тощие или антрациты.

12. Современная метаноносность угленосных толщ бассейнов является результатом всей геологической истории формирования бассейнов в целом и отдельных его районов в частности.

Проведенные исследования позволяют сделать заключение, что горючий газ (главным образом метан), заключенный в угленосной толще, должен рассматриваться не только как вредный фактор, но при колоссальных его запасах — и как полезное ископаемое.

Как показало разведочное бурение, метан можно получить в огромных объемах при помощи скважин из куполообразных структур угольных месторождений и крупных флексурообразных нарушений. При этом могут быть достигнуты две цели: с одной стороны, получение высококалорийного горючего газа; с другой стороны, дегазация угольных пластов, подготовляемых к разработке.

Добыча метана в процессе разработки угля снижает стоимость устройства вентиляции и уменьшает опасность взрыва, а получаемый метан является ценнейшим горючим как для местных нужд, так и для промышленных и бытовых целей.