ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Систематическое изучение газоносности угольных пластов при разведке шахтных полей Кузнецкого бассейна было начато в 1954 году. Метаноносностью угольных пластов занимались следующие учёные и специалисты: А.Т. Айруни; Г.А. Беспятов; A.M. Дмитриев; Н.В. Дорошкевич; А.И. Дьячков; В.И. Ермаков; М.А. Ермеков; К.А. Ефремов; В.А. Колмаков; А.И. Кравцов; P.M. Кривицкая; Н.Н. Куликова; Г.Д. Лидин; А.А. Мясников; И.Д. Мащенко; А.Э. Петросян; И.М. Печук; Ю.С. Премыслер; В.Н. Пузырёв; Б. Г.Тарасов; О.В. Тендер; В.И. Ткач; О.И. Чернов; И.Л. Эттингер; В.В. Ходот и другие. Из анализа работ следует, что недооценка своевременных исследований газоносности при геологоразведочных работах на уголь приводит в процессе эксплуатации к несоответствию газового режима шахт, их вентиляционных возможностей реальной метанообильности и соответственно к дополнительным работам по их реконструкции, стоимость которых во много раз превышает затраты, связанные с изучением газоносности угольных месторождений. Поэтому актуаль-ным направлением в области повышения достоверности прогноза метано-носности угольных пластов является выявление закономерностей и зависимостей изменения метаноносности угольных пластов, использование которых на этапе геологоразведочных работ позволяет уменьшить ошибки при составлении карт прогноза природной газоносности. Важно также знать не только метаноносность в любой точке угольного пласта, но и основные её составляющие. Основными составляющими природной метаноносности являются «активный» метан, который может выделиться при стандартных условиях, и «пассивный» метан, который не выделяется при стандартных внешних условиях. Установить зависимость этих величин от горно-
5
геологических факторов является важной задачей, которую нужно решить на этапе геологоразведочных работ.
Цель работы. Усовершенствовать метод прогноза природной метано-носности в угольном пласте по геологоразведочным данным на основе полупи ченных зависимостей изменения объёма метана в угольном пласте для повышения безопасности ведения горных работ в шахтах.
Основная идея работы заключается в использовании уточненных объёмов метана, получаемых на разных стадиях дегазации угольного керна, для более достоверного прогноза метаноносности угольных пластов.
^ Задачи исследования:
- установить закономерности изменения объёмов метана, выделяющегося на различных этапах дегазации угольного керна;
- оценить в полном газовом балансе угольной пробы долю метаноносности, которая может выделиться при стандартных внешних условиях;
- установить характер варьирования изменчивости метаноносности ф угольного пласта по мощности;
- определить тип зависимости, которая описывает процесс изменения природной метаноносности с глубиной залегания угольного пласта;
- разработать методики определения поверхности метановой зоны, расчёта градиента природной метаноносности, объёмов «активного» метана в угольном массиве.
Методы исследования. Для решения указанных задач использовались методы математического анализа и математической статистики, исследова-
6
ние операций. Для первичной обработки данных керногазового опробования использовались методы корреляционного анализа.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
- при прогнозировании метаноносности необходимо учитывать, что ме-таноносность складывается из двух частей, одна из которых способна выделяться из угольного пласта при атмосферном давлении, другая только в условиях вакуума;
- объём метана, который может выделиться из угольного массива при атмосферном давлении, возрастает, а доля остаточной метаноносности в общей метаноносности убывает с глубиной залегания угольного пла- ста;
- неравномерность распределения природной метаноносности угольного пласта по его мощности связана с глубиной залегания пласта и стадией метаморфизма угля;
- изменение метаноносности угольного пласта с глубиной его залегания описывается логарифмической параболой;
- выполненные исследования позволяют оценить объём содержащегося в угольном пласте метана, выделяющегося при изменении внешнего давления от пластового до атмосферного.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
- достаточным объёмом первичного материала, использованного для по- лучения достоверных зависимостей;
- корректным использованием методов математической статистики и исследования операций;
- достаточной сходимостью получаемых результатов с фактическими данными;
7
- пошаговым контролем получаемых результатов;
- использованием в работе только достоверных материалов газового опробования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- определена зависимость между объёмами «активного» и «пассивного» метана в угольном керне;
- определён коэффициент разброса значений природной метаноносности по толще угольного пласта;
- выявлены критерии для зависимостей, используемых при описании изменения природной метаноносности с глубиной залегания угольного пласта;
- предложены новые зависимости изменения природной метаноносности с глубиной залегания угольного пласта;
- разработан метод определения поверхности метановой зоны и градиента природной метаноносности по геологическим данным.
Личный вклад автора состоит в разработке методов и выявлении закономерностей, увеличивающих достоверность результатов прогноза природной метаноносности, и включает:
- в выделении в газовом балансе керногазовой пробы объёмов «активного» и «пассивного» метана;
- в нахождении связи между объёмами «активного» и «пассивного» ме-танов и её зависимости от других горно-геологических факторов;
- в установлении коэффициента неравномерности метаноносности по толще угольного пласта;
- в нахождении зависимости изменения природной метаноносности от глубины залегания угольного пласта;
8
- в создании основ оценки объёмов «активного» метана в угольном пласте.
Практическая ценность работы заключается в разработке новых подходов к оценке природной метаноносности угольных пластов на основе использования объёмов «активного» метана, разработке методик определения поверхности метановой зоны и градиента природной метаноносности по геологоразведочным данным.
Реализация работы. Основные научные результаты исследований и практические рекомендации автора включены во «Временную методику исследования газоносности угольных пластов», используемую трестом «Куз-бассуглеразведка» и Северо-Кузбасской геологоразведочной экспедицией для составления карт прогноза метаноносности.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались в тресте «Кузбассуглеразведка» (г. Кемерово, 1993); на III Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Кемерово, 1999); на кафедре «Аэрология, охрана труда и природы» (г. Кемерово 2003); на научно-практической конференции «Безопасность предприятий угольных регионов» (г. Кемерово, 2000).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и приложений (130 страниц текста, 15 рисунков, 25 таблиц, список литературы - 75 источников).
Автор выражает глубокую признательность за методическую помощь научному руководителю, заслуженному деятелю науки и техники докт. техн. наук проф. В. А. Колмакову.
9
Выполнение работы было бы невозможно без помощи и участия коллектива тематической партии треста «Кузбассуглеразведка», которым автор выражает свою благодарность.
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ПРОГНОЗУ МЕТАНОНОСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ
1.1. Методика исследования метаноносности угольных пластов
На необходимость изучения газоносности угольных пластов Кузбасса указывал ещё СО. Гросман опираясь на выявленное им содержание заметного количества метана в углях Ленинского района на сравнительно небольшой глубине [12]. Вопросы газоносности пластов бассейна и его отдельных месторождений, в том числе касающиеся газовой зональности и влияния некоторых геологических факторов на распределение газов в угольных пластах, были затронуты в работах Г.Д. Лидина и И.М. Печука, выполненных в 1943— 1946 гг. Материалами для выводов и соображений этих авторов служили главным образом данные по газообильности горных выработок действующих шахт [44, 53].
Первым крупным исследованием, основанным непосредственно на результатах практического определения газоносности углей по керновым и шахтным пробам в масштабах всего бассейна, стала работа А.И. Кравцова. На основе данных опробования и детального анализа влияния большого числа геологических и гидрогеологических факторов (в том числе, историко-геологических условий, тектоники, химического и петрографического состава углей, химизма подземных вод и др.) им были составлены погоризонтные карты прогноза природной газоносности пластов угля и ожидаемой газообильности шахт Кузбасса в масштабе 1: 200 000 [42].
10
Систематическое изучение газоносности угольных пластов при разведке шахтных полей бассейна было начато в 1954 г. Восточным научно-исследовательским институтом по безопасности работ в горной промышленности ВостНИИ (В.В. Тетеревенков, Б.Г. Ландманн, К.А. Ефремов, В.И. Бархатова, А.И. Дьячков, Ю.Ф. Нефедьев) и трестом «Кузбассуглегео-логия» (Э.М. Сендерзон, Н.В. Дорошкевич, В.А. Юрьев, О.А, Дружинина, Б.Ф. Чуркин, А.И. Шумилов, М.И. Андреева, В.П. Калиниченко). Позже принимали также участие в этих работах Московский геологоразведочный институт им. С. Орджоникидзе (А.И. Кравцов, М.М. Элинсон, А.П. Бакалдина, И.В. Букин, О.В. Тендер) и Тематическая партия объединения Союзуглегео-логия (О.В. Тендер, В.М. Маркова).
В течение 1954—1956 гг. усилия ВостНИИ и треста «Кузбассуглегео-логия» были направлены в первую очередь на разработку технических средств для определения газоносности угольных пластов, максимально приближающейся к истинной, в точках пересечения их разведочными скважинами. Были сконструированы и изготовлены специальные двойные колонковые трубы — керногазонаборники, первые образцы которых обеспечивали сохранение газа в кернах угля за счет их глубокого охлаждения (замораживания), последующие — за счет улавливания газа, выделяющегося из керна при бурении и подъеме трубы по скважине. Всего за указанный период была определена газоносность 361 пробы углей, в том числе 159 замороженных и 202 не замороженных, т. е. отобранных обычными двойными колонковыми трубами. Однако найти переходный коэффициент, который позволил бы компенсировать потери газа при отборе не замороженных проб, не оказалось возможным из-за большого разброса потерь газа в параллельных пробах — 20—70%, объясняемого в первую очередь различной степенью раздробленности кернов и длительностью подъема их на поверхность. В дальнейшем при опробовании пластов па газоносность применялись только керногазонаборники [15].
11
В 1955 г. упомянутыми двумя организациями была составлена первая временная инструкция по определению газоносности угольных пластов при геологоразведочных работах в Кузбассе, и с 1956 г. было начато планомерное изучение газоносности углей на участках детальной разведки. Опробова- ние пластов велось территориальными партиями под методическим руководством созданной для этой цели при тресте Кузбассуглегеология специализированной партии по изучению газоносности углей. Одновременно Вост-НИИ и трестом были начаты научные исследования по разработке способа установления действительной (наиболее вероятной) газоносности пласта в точке пластоперосечения по данным опробования и методики графического обобщения результатов на картах прогноза газоносности угольных пластов.
Накопление значительного фактического материала по газоносности угольных месторождений позволило в 1958 г. разработать «Инструкцию по определению газоносности углей и составлению карт прогноза газоносности угольных пластов при разведке шахтных полей» для условий Кузбасса. Инструкция включала схемы расположения скважин в зависимости от структурно- тектонических типов месторождений, изложение техники и методики отбора проб при перебуривании пластов различной мощности, методики ла- бораторных работ по определению газоносности проб углей и состава газов, расчета содержания метана в каждой пробе и пласте в целом, определения действительной газоносности пласта, построения участковых карт прогноза газоносности на основе структурных гипсометрических карт угольных пластов и некоторые рекомендации по применению их для определения ожидаемой газообильности шахт. Инструкция была подготовлена к печати и в 1961г. издана. С этого времени все разведочные партии треста Кузбассуглегеология, шахтная геологическая служба, партии при угольных трестах Кузбасса, а также геологические организации некоторых других бассейнов пользовались ею в практической работе как основным нормативным и методическим руководством, вплоть до выхода в свет общесоюзной «Временной ин-
12
струкции по определению и прогнозу газоносности (метаноносности) угольных пластов при проведении геологоразведочных работ» [4].
В 1958—1961 гг. трестом Кузбассуглегеология и ВостНИИ в содружестве с Московским геологоразведочным институтом им. С. Орджоникидзе (МГРИ) решались следующие вопросы, уточняющие методику построения карт прогноза газоносности пластов Кузбасса: определение действительной газоносности угольных пластов по результатам, получаемым с помощью керногазонаборников; освоение метода определения потенциальной газоносности пластов угля; определение рационального количества кернов при опробовании мощных угольных пластов на газоносность; использование данных газообильности горных выработок для построения карт прогноза га- зоносности угольных пластов. С участием МГРИ в изучении газоносности угольных месторождений Кузбасса было также начато освоение в бассейне разработанного этим институтом комплексного метода исследования газоносности разреза угленосной толщи с применением газового каротажа [6].
Увязка результатов опробования пластов керногазонаборниками с данными первоначальной газоносности отработанной части пластов, рассчитанными по газообильности горных выработок, была в 1959 г. впервые выпол- нена на примере бывшей шахты Центральной Кемеровского района (ныне
2-й район шахты Северной) и несколько позднее — по основному полю (1-му району) шахты Северной и по шахте им. Ворошилова. Несмотря на ряд допущений, были получены сопоставимые и подтверждающие друг друга результаты. Этим самым были установлены возможность и необходимость использования шахтных материалов по газообильности в качестве вспомога-тельных исходных данных для уточнения направления изогаз на картах.
В 1963 г., на основе накопленного опыта построения карт прогноза газоносности угольных пластов, трестом Кузбассуглегеология и МГРИ была выполнена первая в бассейне работа по составлению региональных карт прогноза на основании количественных характеристик природном газоносно-
13
сти пластов. Были построены карты прогноза газоносности Ленинского района для пяти горизонтов (100 м, 0 м, -100 м, -200 м и -300 м) на основе погоризонтных планов масштаба 1:100000. Для их составления были использованы результаты изучения газоносности углей по разведочным скважинам на участках детальной разведки, начинай с 1956 г. Изогазы на картах проводились через 5 м3/т.с.г.м.
В 1964 г. ВостНИИ по результатам опробования на газоносность разведочных участков и материалам газообильности горных выработок шахт составил региональные карты прогноза газоносности семи основных пластов Прокопьевско-Киселевского района в масштабе 1:25000. В отличие от карт Ленинского района за основу были приняты сводные структурные гипсометрические карты пластов. Построенные карты позволяли дать укрупненную ориентировку в отношении масштабов возможных газовыделений при разработке нижних горизонтов шахт и новых площадей в пределах основных тектонических структур на стадии перспективного планирования и технико-экономического обоснования дальнейшего развития района.
В последующие годы карты прогноза газоносности были составлены по юго-западной части Ерунаковского района, юго-восточной части Байда-евского района, Осиновскому району, Томь-Усинскому району и юго-западной части Терсинского района. Как погоризонтные карты прогноза газоносности районов, так и карты прогноза газоносности основных рабочих пластов углей выполнялись на геологической основе масштаба 1:25000, за исключением Байдаевского района, где карты построены в масштабе 1:10000.
По мере все более широкого освоения методов определения газоносности угольных пластов в бассейне газовое опробование было распространено кроме детальной разведки также на стадию доразведки полей действующих шахт. В итоге уменьшилась доля площадей с неизученной газоносностью и в отличие от первых последующие районные карты прогноза газоносности
14
угольных пластов стали находить применение непосредственно для определения ожидаемой газообильности строящихся и реконструируемых шахт.
Параллельно с совершенствованием методов газового опробования пластов и количественной интерпретации, получаемых при этом данных га- зоносности углей были поставлены тематические работы по обобщению и систематизации накапливаемых при опробовании материалов по газовой зональности месторождений бассейна. В 1970 г. трестом Кузбассуглегеология была завершена такая работа по Ленинскому и Томь-Усинскому районам. По Ленинскому району построена первая в Кузбассе региональная карта прогноза глубины залегания верхней границы метановой зоны в масштабе
1 : 25 000. В 1971 г. ВостНИИ выполнил исследование газовой зональности основных месторождений Кемеровского и Беловского районов, результаты которого обобщил в форме каталога.
Результаты изучения газоносности угольных пластов при проведении геологоразведочных работ на участках доразведки, детальной, а часто также и предварительной разведки обобщались и представлялись в виде разделов в геологических отчетах или заключениях с приложением графических материалов. С выходом в свет «Временной инструкции по определению и про-гнозу газоносности (метаноносности) угольных пластов при проведении геологоразведочных работ»[4] и вводом её с начала 1968г. в действие опробование пластов угля на газоносность стало выполняться в обязательном порядке всеми геологоразведочными организациями бассейна на участках предварительной, детальной разведки и доразведки полей действующих шахт.
Прогноз газообильности угольных шахт и горных выработок осуществляется двумя основными методами: первый из которых основан на данных газовых съёмок в горных выработках, второй основан на данных полученных при геологоразведочных работах. Но горно-статический метод прогноза газообильности шахт, основанный на изучении изменений
15
относительной газообильности выработок и выяснения степени её нарастания по мере углубления горных выработок, ограничен в применении пределами полей действующих шахт и лимитированной экстраполяцией. Поэтому исходными данными для прогноза метанообильности будущих шахт и разрезов служат результаты геологоразведочных работ угольного месторождения. По метаносности угольных пластов, согласно нормативным документам, рассчитывается метанообильность вновь строящихся и подлежащих строящихся коренной реконструкции шахт.
Актуальность работ, по изучению природной метаноносности пластов, определяется необходимостью выяснения закономерностей и особенностей газоносности угольных месторождений различного типа, а также постоянной практической потребностью данных по газоносности осваиваемых и разведываемых и разведываемых шахтных полей как основы для научного прогноза газообильности проектируемых горных выработок, разработки мер борьбы с газовыделениями, инженерных расчётов шахтной вентиляции и промышленной дегазации. Недооценка своевременных исследований газоносности при геологоразведочных работах на уголь приводит в процессе эксплуатации к несоответствию газового режима шахт и их вентиляционных возможностей, а следовательно к дополнительным дорогостоящим работам по их реконструкции, стоимость которых во много раз превышает затраты, связанные с изучением газоносности угольных месторождений.
Прогноз газообильности по данным геологоразведочных работ, во всех существующих методиках, основан на разности природной и остаточной метаноносности. Т. е. во всех присутствует выражение:
q=f(x-x0) (1.1)
где: q- оценка газообильности, м /т.;
х - природная метаноносность пласта, м3/т.; xq - остаточная метаноносность угля, м3/т..
16
Это выражение является основным и для прогноза газообильности выработок.
Следовательно, точность прогноза газообильности горных выработок зависит от точности материалов газового опробования полученных ещё на этапе геологоразведочных работ. Но так как природная метано-носность каждого в отдельности угольного пласта формируется под наложенным влиянием ряда региональных и местных геологических факторов. К региональным факторам относятся: степень метаморфизма, современная глубина залегания угольного пласта, приуроченность к определённой тектонической структуре, глубина зоны газового выветривания. Эти факторы создают региональный фон распределения метана в угольных пластах. Его можно рассматривать как среднее значение метанонос-ности по пласту среди достоверных определений. К местным факторам относится: изменение петрографического состава в пределах пласта, структурные и текстурные колебания, трещиноватость, сложность, зольность, газопроницаемость и так далее. Местные факторы формируют зону разброса значений метаноносности от среднего регионального значения. Сложность в количественной оценки степени влияния каждого местного фактора заключается в отсутствии эталонного значения каждой отдельно взятой пробы. Поэтому становится задача, что в конкретном случае повлияло на величину метаноносности: не представительность пробы или закономерное влияние геологического фактора.
Метаноносность угольного пласта на том или ином горизонте является функцией глубины естественной дегазации угольных месторождений (показателем, которой служит мощность зоны газового выветривания) и интенсивности закономерного изменения природной метаноносности по мере погружения в метановую зону.
Поэтому объектами исследования в предлагаемой работе являются методы нахождения зависимости изменения метаноносности с глубиной
17
залегания угольного пласта, нахождения остаточной метаноносности угля, определение градиента метаноносности, нахождения поверхности метановой зоны по геологоразведочным данным.
Одним из основных инструментов используемых в предлагаемой работе являются статистико-вероятностные подходы при обработке геологических материалов по газоносности угольных пластов. Так как это является характерной чертой методологии современных исследований газоносности. Особенностью современного прогресса геологической науки и геологоразведочном производстве является широкое внедрение количественных методов оценки геологических явлений, объектов и процессов. Оценка геологических понятий числом и мерой приводит к увеличению разнообразных измерений, расчётов и к повышению роли математической статистики. Самым важным в применении количественных методов является то, что они заставляют исследователей рассуждать более логично, строго и конкретно более последовательно там, где раньше это не делалось.
В связи с этим важной проблемой становится не только совершенствование самих технических средств и методик изучения газоносности угольных месторождений, но и поиски путей рациональной статистической обработки получаемой при этом информации. Математическая статистика обеспечивает средства для выражения и анализа эмпирических зависимостей, базирующихся на результатах натуральных определений.
На начальном этапе изучения газоносности в Кузбассе было выдвинуто предположение о линейном её нарастанию до глубины 600 метров. Но это противоречило эмпирическим данным и зависимостям, которые использовались на других месторождениях СССР. Поэтому в восьмидесятых годах О.В. Тендером была применена для условий Кузнецкого бассейна гиперболическая зависимость нарастания природной метаноносности с глубиной залегания угольного пласта, аналогично той, что исполь- |
