Геологічні чинники формування та закономірності розташування перспективних ділянок для видобутку метану з вугільних пластів красноармійського геолого-промислового району Донбасу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національна гірнича академія України

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук

Спеціальність: 04.00.16 - ”Геологія твердих горючих копалин”

Геологічні чинники формування та закономірності розташування перспективних ділянок для видобутку метану з вугільних пластів красноармійського геолого-промислового району Донбасу

Приходченко Світлана Юріївна

Дніпропетровськ-2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі геології вугільних родовищ великих глибин Інституту геотехнічної механіки Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ)

Науковий керівник - доктор геолого-мінералогічних наук, заступник директора з наукової роботи Інституту геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ) Лукінов В'ячеслав Володимирович

Офіційні опоненти:

доктор геолого-мінералогічних наук, професор, завiдувач кафедpи геологiї та pодовищ коpисних копалин Донбаського гipничо-металуpгiйного iнституту Міністерства освіти і науки України (м.Алчевськ) Горовий Анатолiй Федоpович

кандидат геолого-мінералогічних наук, професор, головний геолог ВО ”Укрвуглегеологія” Міністерства палива та енергетики України (м.Донецьк) Кущ Олег Олександрович

Провідна установа - Інститут геології і геохімії горючих копалин НАН України (м. Львів), відділ геології вугільних родовищ

Вчений секретар Cпеціалізованої вченої ради, Кандидат геолого-мінералогічних наук, доцент А.Л. Лозовий

Анотація

геологічний вугільний пласт газоносність

Приходченко С.Ю. Геологічні чинники формування та закономірності розташування перспективних ділянок для видобутку метану з вугільних пластів Красноармійського геолого-промислового району Донбасу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук за спеціальністю 04.00.16 - ”Геологія твердих горючих копалин”. - Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 2000.

Дисертація присвячена питанням формування, розміщення та прогнозування ділянок з підвищеним вмістом метану у вугільних пластах Красноармійського геолого-промислового району Донбасу. Встановлено локальні закономірності змінення газоносності вугільних пластів та вмісту у них вільного метану в межах району. Визначено вплив геологічних чинників на локальні закономірності змінення газоносності вугільних пластів та вмісту у них вільного метану. Обґрунтовані прогностичні критерії визначення перспективних ділянок для видобутку метану з вугільних пластів. На основі отриманих наукових результатів здійснено прогнозування найбільш перспективних ділянок для видобутку метану з вугільного пласта l3 на дільниці ”Добропільська-Капітальна”.

Ключові слова: Донбас, газоносність, вільний метан, вугільний пласт, розрив, локальна складка.

Аннотация

Приходченко С.Ю. Геологические факторы формирования и закономерности размещения перспективных участков для добычи метана из угольных пластов Красноармейского геолого-промышленного района Донбасса.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геологических наук по специальности 04.00.16 - ”Геология твердых горючих ископаемых.” - Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 2000.

Диссертация посвящена вопросам формирования, размещения и прогнозирования участков с повышенным содержанием метана в угольных пластах Красноармейского геолого-промышленного района Донбасса.

Выделены локальные аномалии газоносности угольных пластов и содержания в них свободного метана на площади района. Путем сопоставления этих аномалий с закономерностями изменения тектоники угленосной формации и литологического состава пород, вмещающих угольные пласты, установлен характер влияния каждого из факторов на распределение метана в угольных пластах.

Установлено, что присутствие обводненных песчаников в составе пород основной или непосредственной кровли обуславливает формирование локальных зон пониженной газоносности угольных пластов. На участках, где в кровле угольных пластов залегают обводненные песчаники мощностью свыше 3-5 м, располагаются отрицательные газовые аномалии с величиной отклонения от регионального фона на 2-6 м3/т г.м. Доказано, что наличие локальных складчатых структур обуславливает формирование зон повышенной газоносности, а присутствие крупноамплитудных разрывов способствует дегазации угленосной толщи и образованию зон пониженной газоносности. На участках, где в угленосных отложениях развиты пологие локальные складки, располагаются положительные газовые аномалии с величиной отклонения от регионального фона 2-8 м3/т г.м. В зонах сместителей крупноамплитудных надвигов отмечаются отрицательные газовые аномалии с величиной отклонения от регионального фона 2-4 м3/т г.м.

Установлено влияние тектонических и литологических факторов на формирование зон повышенного содержания в угольных пластах свободного метана. Доказано, что наличие локальных синклиналей или среднеамплитудных разрывов при отсутствии в непосредственной кровле песчаников обуславливает формирование в угольных пластах локальных скоплений свободного метана. На участках, где в угленосных отложениях развиты локальные синклинали или среднеамплитудные разрывы, наблюдаются локальные положительные аномалии содержания свободного метана в угольных пластах с величиной отклонения от регионального фона до 5-10%.

На основании полученных результатов разработаны прогностические критерии и произведен прогноз наиболее перспективных площадей для добычи метана из угольного пласта l3 на участке ”Добропольский-Капитальный”.

Ключевые слова: Донбасс, газоносность, свободный метан, угольный пласт, разрыв, локальная складка.

Summary

Prihodchenko S.U. Geological factors of forming and the conformites of placing perspective districts for extraction of methane from coal-beds in Krasnoarmeiysk geological-industrial region of Donbas. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of candidate of geological sciences on a speciality 04.00.16 - “The geology of solid fuels”. - National Mining Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2000.

Thesis is devoted to the problems of forming, placing and forecasting of the districts with heightened content of methane in coal-beds in Krasnoarmeiysk geological-industrial region of Donbas. The local conformites of change of gasogenity in coal-beds and content of free methane in them within the bounds of the region are established. The influence of geological factors on the local conformites of gasogenity in coal-beds and on the content of free methane is determined. The prognosis criteria for determination of perspective districts for extraction of methane from coal-beds are substantiated. The prognosis of the most perspective areas for extraction of methane from l3 coal-bed in “Dobropolskiy-Capital” district is fulfiled on the basis of obtained results.

Key words: Donbas, gasogenity, free methane, local fold.

1. Загальна характеристика роботи

Останнім часом практично всі вуглевидобувні країни світу проявляють підвищене зацікавлення метаном вугільних родовищ. Причини зацікавлення цією проблемою наступні. По-перше, шахтний метан є дуже небезпечним явищем, яке значно погіршує умови праці на шахтах. Виділення його в гірничі виробки вимагає використання все більш складних та енерговитратних систем вентиляції. При різкому збільшенні виділення метану (суфляри, неочікувані викиди) вентиляційні системи не можуть упоратись із завданням, концентрація метану в шахтному повітрі сягає небезпечних значень, що призводить до вибухів і значних людських втрат. Все це вимагає обов'язкової попередньої дегазації шахтних полів. По-друге, метан, який виділяється при веденні гірничих робіт та дегазації, є цінною вуглеводневою сировиною - альтернативним видом палива. Необхідно впровадити його утилізацію та комерційне використання, що значно поліпшить економічну ефективність роботи вугільної галузі. По-третє, метан, який при веденні гірничих робіт викидається в атмосферу, є дуже небезпечним в екологічному відношенні газом. Спеціалісти-екологи вважають його одним з основних газів, який призводить до парникового ефекту в атмосфері. Таким чином, існує нагальна необхідність видобутку та утилізації метану вугільних родовищ, що дозволить вирішити відразу декілька важливих проблем: створення безпечних умов виконання гірничих робіт, зниження затрат на видобуток вугілля, використання метану як альтернативного виду палива, а також покращення екологічної ситуації.

Вирішення вказаних проблем особливо актуальне для України, де вугілля є основним енергоносієм, що забезпечує енергетичну безпеку держави на довгу перспективу. За ресурсами вугільного метану Україна займає четверте місце у світі. Сучасна оцінка цих ресурсів складає близько 12 трлн.м3. Ця оцінка включає лише газ вугільних пластів. Якщо взяти до уваги високі показники газоносності проміжних порід, то загальний обсяг метану може бути вдвічі більшим.

Досвід закордонних країн (США, Німеччина, Великобританія та інші) показує, що при використанні спеціальних технологій та раціональних схем дегазаційних заходів на вугільних шахтах з надр добувається та використовується понад 70% метану, який у них вміщується.

У 1998-1999 р. Мінвуглепромом України розроблений проект дослідно-промислових випробувань, які дадуть змогу визначити найбільш раціональні шляхи видобутку метану з вугільних родовищ Донбасу. Проект включений до програми діяльності Кабінету Міністрів України. Роботи плануються на п'яти полігонах: Алмазно-Маріївському, Красноармійському, Донецько-Макіївському, Краснодонському та Шахтарському. Першочергові роботи з пілотного проекту зосереджені на Красноармійському полігоні (ділянка “Північно-Родинська № 2”). На першому етапі передбачається буріння однієї розвідувальної та трьох дослідно-промислових свердловин. Роботи з буріння свердловин розпочаті ПО “Укрвуглегеологія” в квітні 1999р. Результати випробувань, які будуть отримані на Красноармійському полігоні протягом першого етапу робіт, мають стати основою для розробки широкомасштабних проектів попередньої дегазації полів шахт “Краснолиманська”, ім. Стаханова та “Красноармійська-Західна № 1”, що знаходяться у цьому районі.

Згідно з Національною Енергетичною Програмою України обсяги видобутку метану з вугільних родовищ в 2010 році мають скласти 8 млрд.м3. Головними складовими технології видобутку газу вугільних родовищ є: буріння свердловин з поверхні, гідророзрив пласта з метою утворення в ньому тріщинуватих зон, закріплення тріщин, які виникли, за допомогою особливих хімічних розчинів. У вугільних пластах до цього вже існують природні тріщинуваті зони, пов'язані з тектонічною порушеністю різних порядків. Наявність таких зон та характер тектоніки в цілому мають важливе значення для розміщення газів у вугленосних покладах. Тріщинуваті зони у вугільних пластах мають особливо важливе значення для формування покладів вільного метану.

Пошуки скупчень вільного метану у вугільних пластах повинні базуватись на виявленні тріщинуватих зон, які, в свою чергу, пов'язані з більш крупними тектонічними структурами (складками, розривами). Необхідно розробити пошукові критерії, за допомогою яких можна виявляти та оконтурювати зони скупчення вільних вуглеводневих газів у вугленосних покладах Донбасу. Такі зони повинні стати першочерговими об'єктами для видобутку метану з вугільних родовищ. Саме у цих зонах видобування метану буде найбільш ефективним як із застосуванням спеціальних технологій впливу на вугільний пласт, так і без нього.

Таким чином, існує актуальна наукова та практична проблема, пов'язана з необхідністю встановлення геологічних чинників формування та закономірностей розташування перспективних ділянок для видобутку метану з вугільних пластів Донецького басейну.

Дисертаційна робота виконувалась в Інституті геотехнічної механіки НАН України у відповідності до державних програм України і планів дослідницьких тематичних робіт Національної академії наук України, Міністерства вугільної промисловості України та Геологічного комітету України. Зокрема до завдань Державної науково-технічної програми з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки 04.14 “Екологічно чисті технології видобутку, переробки, транспортування та використання рудних та нерудних корисних копалин” (наказ ДКНТ України №52 від 18.06.1993р.) та її частини 04.14.04/001К-95 “Дослідити фізико-технічну природу процесу метаморфізму кам'яного вугілля України для обгрунтування нового напрямку його комплексної переробки”, Постанови Верховної Ради України №191/96-ВР від 15.05.1996р. “Про національну енергетичну програму України до 2010 року”, Протоколу № 40 виїздного засідання Кабінету Міністрів України у м. Донецьку від 11.12.1997р. про видобуток супутнього газу метану з вугільних родовищ Донбасу, Постанови Кабінету Міністрів України №1634 від 6.09.1999р. “Про розвиток промислового видобутку метану вугільних родовищ Донбасу”.

Мета досліджень - встановлення геологічних чинників формування та закономірностей розташування перспективних ділянок для видобутку метану з вугільних пластів Красноармійського геолого-промислового району Донбасу.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити ряд окремих задач:

- дослідити локальні закономірності змінення газоносності вугільних пластів та вмісту в них вільного метану в Красноармійському районі;

- визначити вплив геологічних чинників на локальні закономірності змінення газоносності вугільних пластів та вмісту в них вільного метану в Красноармійському районі;

- обґрунтувати прогностичні критерії визначення перспективних ділянок для видобутку метану з вугільних пластів.

Наукові положення, що захищаються автором:

1. На тлі регіонального закономірного змінення метаноносності вугільних пластів, що зумовлене глибиною їх залягання та метаморфізмом вугілля, існують локальні газові аномалії, сформовані під впливом тектонічних і літологічних чинників; позитивні аномалії пов'язані з наявністю локальних складок та відсутністю пісковиків у складі порід покрівлі вугільних пластів, а негативні - з присутністю в основній та безпосередній покрівлі вугільних пластів обводнених пісковиків та розвитком великоамплітудних розривів.

2. На тлі регіонального закономірного змінення вмісту вільного метану у вугільних пластах, що зумовлене глибиною їх залягання, відмічаються локальні його аномалії, сформовані під впливом тектонічних і літологічних чинників; позитивні аномалії пов'язані з локальними складками оптимальної інтенсивності та зонами зміщувачів середньоамплітудних розривів, а негативні - із зонами зміщувачів великоамплітудних розривів та наявністю пісковиків у безпосередній покрівлі вугільних пластів.

3. Прогностичними критеріями, за якими слід визначати найбільш перспективні ділянки для видобутку метану з вугільних пластів, є: 1) підвищена метаноносність вугільних пластів, що зумовлена оптимальним ступенем метаморфізму вугілля, глибиною його залягання, складністю тектоніки та літологічним складом вміщуючих порід; 2) підвищений вміст у вугільних пластах вільного метану, який зумовлений наявністю оптимальної локальної складчастості та середньоамплітудних розривів, відсутністю пісковиків в безпосередній покрівлі вугільних пластів та великоамплітудних розривів.

Наукова новизна:

- вперше здійснено виділення локальних аномалій газоносності вугільних пластів та вмісту в них вільного метану в межах Красноармійського геолого-промислового району Донбасу, що дозволяє встановити вплив геологічних чинників на розподіл метану у вугільних пластах;

- встановлений вплив літологічних факторів на розподіл метану у вугільних пластах Красноармійського району; доведено, що наявність обводнених пісковиків у складі порід основної або безпосередньої покрівлі зумовлює формування локальних зон зниженої газоносності вугільних пластів;

- визначений вплив тектонічних факторів на розподіл метану у вугільних пластах Красноармійського району; доведено, що наявність локальних складчастих структур зумовлює формування зон підвищеної газоносності, а присутність великоамплітудних розривів сприяє дегазації вугленосної товщі та формуванню зон зниженої газоносності;

- встановлений вплив тектонічних та літологічних факторів на формування зон підвищеного вмісту вільного метану у вугільних пластах Красноармійського району; доведено, що наявність локальних складок з інтенсивністю 1,4-4,6 градусів та середньоамплітудних розривів з амплітудою зміщення в декілька десятків метрів при відсутності в безпосередній покрівлі пісковиків зумовлюють формування локальних скупчень вільного метану у вугільних пластах, що дозволяє використовувати ці показники в якості прогностичних критеріїв.

Практичне значення роботи полягає в розробці прогностичних критеріїв та здійсненні прогнозування найбільш перспективних ділянок для видобутку метану з вугільного пласта l3 на дільниці “Добропільська-Капітальна”.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідались на конференції “Геологія вуглегазових родовищ і гірничо-геологічні умови розробки корисних копалин” у 1998 р. (ІГТМ НАН України, м. Дніпропетровськ), міжнародній науково-практичній конференції “Актуальні проблеми геології та раціонального природокористування” в 1999 р. (Державна гірнича академія України, м. Дніпропетровськ), міжнародній науково-практичній конференції “Метан вугільних родовищ України” в 1999 р. (ІГТМ НАН України, м. Дніпропетровськ), на науковому семінарі відділу геології вугільних родовищ великих глибин Інституту геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ) в 2000р., на науковому семінарі з геології корисних копалин Національної гірничої академії України (м. Дніпропетровськ) в 2000 р.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 14 наукових працях, з них 5 без співавторів. Статей у наукових журналах - 5, статей у збірниках наукових праць - 5, статей депонованих у ВІНІТІ - 1, матеріалів та тез наукових конференцій - 3. Таким чином, у фахових виданнях опубліковано 10 праць (з них 2 одноосібно).

Дисертація є рукописом, який складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел та одного додатку. Об'єм дисертації 192 сторінки, у тому числі 120 сторінок основного тексту, 56 ілюстрацій, 7 таблиць та список використаних джерел з 124 найменувань.

Автор глибоко вдячний своєму вчителю, доктору геолого-мінералогічних наук В.В.Лукінову за постійну увагу до роботи та велику науково-методичну допомогу. Наукові консультації та практичну допомогу надавали доктор геолого-мінералогічних наук Нагорний Ю.М., доктор геологічних наук Приходченко В.Ф., кандидат геолого-мінералогічних наук Пимоненко Л.І.

Автор вважає приємним обов'язком висловити всім вище згаданим та багатьом іншим колегам свою щиру подяку.

2. Основний зміст роботи

Розділ 1. Аналітичний огляд літератури та вибір напрямків досліджень

Дослідженню газоносності вугленосних формацій присвячені роботи К.І. Багринцевої, Г.В. Бодні, А.М. Брижаньова, О.М. Дмитрієва, І.Л. Етингера, К.А. Єфремова, В.Ю. Забігайла, Г.З. Задари, В.М. Зимакова, Б.М. Іванова, Г.К. Карасьова, С.С. Козлова, Б.М. Косенка, О.І. Кравцова, В.О. Кушнірука, Г.Д. Лідіна, В.В. Лукінова, Л.І. Пімоненко, Е.Г. Токаревої, В.В. Шершукова, О.З. Широкова, Г.Б. Яновської та інших геологів.

Аналіз робіт, присвячених закономірностям змінення газоносності вугільних пластів на площі та геологічним факторам, що їх зумовлюють, свідчить про існування багатьох дискусійних питань в цій проблемі. Що стосується газоносності вугільних пластів Красноармійського геолого-промислового району Донбасу, то тут багато важливих питань теж залишилися недостатньо вивченими. До таких питань належать: локальні закономірності змінення газоносності вугільних пластів на площі району, вплив на метаноносність вугільних пластів літологічного складу вміщуючих порід та їх обводнення, роль велико- та середньоамплітудних розривів в формуванні газоносності вугілля та порід. Лишилося практично не дослідженим питання впливу малоамплітудних складок і розривів та їх інтенсивності на розподіл метану у вугленосній формації. Зовсім не вивчалось питання впливу геологічних факторів на вміст у вугільних пластах і породах вільного метану та закономірностей його розподілу на площі району.

Аналітичний огляд наукових робіт з газоносності вугленосних формацій взагалі та на площі Красноармійського геолого-промислового району, дозволив визначити існування важливих дискусійних питань з цієї проблеми і сформулювати мету та завдання досліджень, які наведені в загальній характеристиці дисертації.

Розділ 2. Об'єкти, методи та об'єми досліджень

В якості об'єкта досліджень обрано вугленосні поклади в межах Красноармійського геолого-промислового району Донбасу. Особлива увага була приділена дослідженню закономірностей зміни газоносності, вмісту вільного метану та встановленню чинників, що їх зумовлюють, в центральній частині району від поля шахти “Білозерська” на північному заході до поля шахти “Краснолиманська” на південному сході. Вибір Красноармійського району для досліджень був зумовлений тим, що саме він є найбільш перспективним для розвитку видобутку вугілля в Донбасі. Саме тут розвідані найбільш перспективні ділянки для будівництва нових шахт, які мають значні запаси вугілля та супутнього метану. Вибір шахтних полів саме у центральній частині району (шахти “Білозерська”, “Алмазна”, “Добропільська”, “Білицька”, “Родинська”, “Краснолиманська” та дільниця “Добропільська-Капітальна”) зумовлений найбільш високою в межах району вугленосністю (до двох десятків промислових та десятки непромислових пластів) та максимальною для району метаноносністю вугілля (до 20 м3/т г.м.), а також великими запасами метану, які тільки в межах шахтних полів перевищують 10 млрд. м3.

Основу методики досліджень складає аналіз та узагальнення результатів вивчення газів вугільних пластів у розвідувальних свердловинах та гірничих виробках шахт за допомогою герметичних склянок (191 аналіз), керногазонабірників (2325 аналізів) та замірів метанозбагаченості гірничих виробок (за 20 останніх років). Всі ці методи апробовані у вугільних басейнах на протязі багатьох десятиліть і дають надійні результати з хімічного складу газів та їх вмісту у вугільних пластах.

Розподіл загальної газоносності вугільних пластів та вмісту в них вільного метану на регіональну і локальну складові здійснювався за допомогою стандартного методу апроксимації, який дає можливість одержати аналітичний опис поверхні. Для кожного з показників (загальної газоносності та вмісту вільного метану) за допомогою ПЕОМ будувалися три карти зміни параметра на площі: первинна карта, побудована за замірами керногазонабірників, карта регіональної складової параметра (поліноміальна поверхня першого ступеня) та карта локальної складової параметра (відхилення замірів від поліному).

Виявлення та оконтурювання локальних складчастих структур здійснювалося методом апроксимації регіональної поверхні залягання порід за допомогою поліному першого ступеня. За відхиленнями між розрахованими та фактичними замірами відміток підошви вугільного пласта будувалися в ізолініях карти локальних складчастих структур. Кількісна оцінка інтенсивності локальної складчастості здійснювалась за допомогою “кута складчастості”, метод розрахунку якого розроблено за участю автора дисертації.

Оцінка ступеня порушеності вугільних пластів малоамплітудними розривами виконувалась за допомогою показника ”коефіцієнт порушеності” (Кп), який розраховувався за добре апробованим в Донбасі методом.

Для обробки геологічної інформації застосовувались загальноприйняті методи математичної статистики.

Були побудовані та проаналізовані 21 карта газоносності, регіональної та локальної її складових для окремих шахтопластів; 21 карта вмісту вільного метану у вугільних пластах, його регіональної та локальної складових; 18 карт локальних структур; 7 карт інтенсивності локальної складчастості; 5 карт інтенсивності розривної порушеності; 14 карт із зображенням безпосередньої покрівлі і підошви вугільних пластів та розповсюдження пісковиків у міжпласті.

Розділ 3. Стисла характеристика геологічної будови та газоносності вугленосних покладів району досліджень

Красноармійський геолого-промисловий район розташований в південно-західній частині Донецького басейну. Тут розвинуті осадові породи середнього (світи С21-С27) та верхнього (світи С31, С32) карбону, які перекриті більш молодими покладами (переважно палеогенового, неогенового та четвертинного віку). Осадові породи карбону представлені перешаруванням пластів пісковиків, аргілітів та алевролітів з включенням відносно тонких пластів вугілля та вапняку.

Красноармійський геолого-промисловий район розташований на моноклінальному південно-західному крилі Кальміус-Торецької улоговини. Простягання порід переважно північно-західне, а падіння північно-східне. Нахил порід пологий. Кути падіння коливаються від 3-4 до 12-15 градусів. Інколи моноклінальне залягання порід ускладнюється невеликими складками. Головні розривні порушення району представлені насувами субмеридіонального напрямку. Зміщувачі насувів досить похилі (20-40 градусів) і мають падіння переважно на схід. Їх амплітуда сягає перших сотен метрів. Головні з них - Селідівський, Центральний, Самарський, Красноармійський, Добропільський, Мерцалівський, Криворізький та інші насуви. Крім великоамплітудних насувів, у районі розвинуті також середньоамплітудні крутопадаючі скиди переважно субширотного та діагонального простягання (Гнилушинський, Кутузівський, Краснолиманський та інші). Гірничими роботами виявлена велика кількість малоамплітудних розривів різних типів та орієнтацій.

Вугілля Красноармійського геолого-промислового району малометаморфізоване, переважно марки Г, рідше Д та Ж. Газове та жирне вугілля зосереджене переважно в центральній частині району.

Головним газовим компонентом вугільних пластів є метан. У вуглегазових пробах його вміст сягає 26 м3/т г.м.

У районі спостерігаються дві основні газові зони: зона газового вивітрювання та метанова зона. Глибина розповсюдження зони газового вивітрювання змінюється досить широко. У центральній частині району (між Гнилушинським та Новогродівським №1 скидами) вона по окремих пластах не занурюється глибше відміток 0 - плюс 50 м. У північно-західному напрямку межа метанової зони поступово занурюється і сягає на межі району відміток мінус 250 - мінус 300 м. У південно-східному напрямку метанова зона занурюється значно швидше, сягаючи на межі району відміток мінус 400 - мінус 900 м.

Максимальна газоносність вугільних пластів відмічається в центральній частині району, яка характеризується підвищеним ступенем метаморфізму вугілля. Тут же зафіксована і максимальна метанозбагаченість гірничих виробок шахт (до 27 м3/т д.в.).

Розділ 4. Закономірності змінення основних геологічних факторів формування метаноносності вугільних пластів на площі, що досліджується.

У розділі аналізуються закономірності змінення на площі, що досліджується, таких факторів газоносності вугільних пластів: ступеня метаморфізму вугілля, сучасної глибини залягання пластів, тектоніки вугленосної формації, літологічного складу вміщуючих порід та їх обводнення.

На площі, що досліджується, автором деталізовані закономірності змінення ступеня метаморфізму вугілля на прикладі пласта l3. Дослідження показали, що ізоволі пласта тут простягаються з південного заходу на північний схід, диагонально по відношенню до його ізогіпс. Ступінь метаморфізму вугілля зростає в південно-східному напрямку.

Простягання порід карбону в районі північно-західне, падіння південно-східне під кутом від 3-4 до 12-15 градусів. В цьому напрямку відбувається поступове зростання глибини залягання вугільних пластів від +150м на верхніх горизонтах до -550-750 і навіть -1200м (дільниця ”Добропільська-Капітальна”).

Моноклінальне залягання порід на площі, що досліджується, ускладнене присутністю великоамплітудних насувів субмеридіонального простягання - Центрального, Добропільського, Мерцалівського. Тут розвинуті також середньоамплітудні скиди субширотного та діагонального простягання - Гнилушинський, Кутузівський, Краснолиманський, Карпівський, Самійлівський та інші. Гірничими роботами виявлена велика кількість малоамплітудних розривів різних морфологічних типів та орієнтації в просторі. Переважна більшість їх концентрується в певних тектонічних зонах, орієнтація яких часто співпадає з простяганням більш великих розривів або є діагональною по відношенню до них. Коефіцієнт порушеності вугільних пластів в тектонічних зонах сягає значення 2*10-3-4*10-3.

В межах кожного з шахтних полів розвинуті також локальні складчасті структури. В плані вони мають форму брахіструктур, в вертикальному розрізі - це похилі антикліналі та синкліналі. Амплітуди таких складчастих структур складають, як правило, декілька десятків метрів, сягаючи інколи 100м. Розміри в поперечнику переважно невеликі - від сотен метрів до перших кілометрів.

Безпосередньою покрівлею вугільних пластів, що досліджуються, слугують переважно аргіліти та алевроліти, в меншій мірі пісковики. Потужність аргіліто-алевролітової товщі змінюється переважно від 1-3 до 10-14м. Основну покрівлю вугільного пласта l3 складають породи стратиграфічного інтервалу l3 - l4. На полях шахт “Білозерська”, “Добропільська” та “Білицька” пісковики в основній покрівлі вугільного пласта l3 розвинуті дуже широко. Відсутні вони лише на окремих порівняно невеликих ділянках шахтних полів. Потужність пісковиків складає понад 10м, сягаючи навіть 20-25 м. На полі шахти “Алмазна” та дільниці “Добропільська-Капітальна” пісковики в складі основної покрівлі вугільного пласта зустрічаються лише на порівняно невеликих ділянках. Їх потужність тут складає переважно перші метри, досягаючи інколи 10м та дещо більше. Вугленосна товща в Красноармійському районі в процесі епігенезу зазнала не дуже суттєвих змін, тому її пісковики характеризуються значною водо- та газопроникністю, через що слугують тут в якості водоносних горизонтів. На ділянках шахтних полів, де пісковики основної покрівлі вугільного пласта мають значну потужність (понад 10м), а аргіліти чи алевроліти безпосередньої покрівлі характеризуються зниженою потужністю і при цьому в значній мірі порушені тріщинуватістю або малоамплітудними розривами, підземні води, що містяться в пісковиках, надходять до гірничих виробок (поля шахт “Білозерська”, “Добропільська”, “Білицька”).

Розділ 5. Закономірності та причини змінення метаноносності вугільних пластів на площі Красноармійського вугленосного району.

Метаноносність вугільних пластів змінюється від 1,0 до 26,0 м3/т г.м. Мінімальні значення метаноносності переважають на верхніх горизонтах шахтних полів, в зоні деметанізації. З глибиною залягання вугленосної товщі метаноносність вугільних пластів в цілому зростає. В межах окремих шахтних полів відмічаються деякі відмінності в напрямках зростання метаноносності. На полі шахти “Білозерська” метаноносність зростає з заходу на схід, перпендикулярно по відношенню до падіння порід. На полі шахти “Білицька” це зростання відбувається на північ та південь від центральної частини площі. В межах поля шахти “Краснолиманська” максимальна метаноносність вугільних пластів притаманна осьовій частині площі, від якої спостерігається зменшення її як в напрямку до верхніх горизонтів, так і з глибиною. На полях шахт “Алмазна”, “Добропільська” та “Родинська” метаноносність вугільних пластів зростає в напрямку збільшення глибини їх залягання. В межах дільниці “Добропільська-Капітальна” метаноносність вугільних пластів стабілізується і далі з глибиною зменшується.

Метанозбагаченість гірничих виробок змінюється в межах 2,6-25,0 м3/т.д.в. На шахтах “Білозерська” та “Білицька” метанозбагаченість зростає з глибиною гірничих виробок, а на шахті “Алмазній” - діагонально до напрямку зростання глибини. На шахті “Добропільська” максимальна метанозбагаченість гірничих виробок характерна для центральної частини поля, в усіх напрямках від якої спостерігається її зменшення.

Регіональна складова метаноносності вугільних пластів змінюється від 11,0 до 18,8 м3/т г.м. На полях шахт “Білозерська”, “Алмазна”, “Добропільська” та дільниці “Добропільська-Капітальна” регіональна складова метаноносності зростає в південному напрямку, що є результатом впливу двох факторів: метаморфізму вугілля та сучасної глибини залягання вугільних пластів. Перший фактор призводить до зростання метаноносності, другий - до зменшення. На полях шахт “Білицька” та “Родинська” регіональна складова газоносності зростає в північно-східному напрямку зі збільшенням глибини залягання вугільних пластів, а на полі шахти “Краснолиманська”, навпаки, - на південний захід в напрямку зменшення глибини залягання вугільних пластів. В межах невеликих дільниць, якими є окремі шахтні поля, ступінь метаморфізму низькометаморфізованого вугілля змінюється несуттєво, тому основним регіональним фактором метаноносності вугільних пластів в даному випадку слід вважати тільки глибину їх залягання.

Локальні відхилення метаноносності вугільних пластів від регіонального фону зумовлені впливом місцевих геологічних факторів, які накладалися на регіональні чинники газоносності і створювали тим самим характерні тільки для даної ділянки умови газонакопичення в вугільних пластах. Локальні відхилення від регіонального фону бувають як додатні, так і від'ємні. Їх величина змінюється від 1-2 до 6-8 м3/т г.м.

До геологічних факторів, що зумовлюють формування позитивних метанових аномалій у вугільних пластах, належать:

- наявність у вугленосних відкладах локальних синклінальних структур з інтенсивністю складчастості приблизно від 2 до 5 градусів (поля шахт “Білозерська”, “Алмазна”, “Добропільська”, “Білицька”, “Родинська”, “Краснолиманська”);

- відсутність пісковиків у складі безпосередньої та основної покрівлі вугільних пластів (поля шахт “Добропільська”, “Білицька”).

До геологічних факторів, що сприяють процесам деметанізації вугільних пластів і тому зумовлюють формування негативних газових аномалій, належать:

- присутність у складі основної покрівлі потужних (10-25м) обводнених пісковиків, особливо в умовах інтенсивної порушеності вугільних пластів малоамплітудними розривами, або при незначній потужності (до 3м) аргілітів та алевролітів безпосередньої покрівлі (поля шахт “Білозерська”, “Добропільська”, “Білицька”, “Родинська”);

- наявність безпосереднього контакту вугільного пласта з потужними (3-14м) пісковиками покрівлі (поля шахт “Алмазна”, “Добропільська”);

- присутність великоамплітудного насуву (поля шахт “Добропільська”, Білицька”, “Краснолиманська”, дільниця “Добропільська-Капітальна”).

Вміст вільного метану у вугільних пластах змінюється від 0 до 48,8% від їх загальної метаноносності. Підвищений вміст вільного метану спостерігається на глибоких горизонтах більшості шахтних полів та дільниці “Добропільська-Капітальна”, у межах локальних синклінальних структур та в зонах середньоамплітудних скидів (Самійлівського, Гнилушинського, Карпівського, “А”). Знижений вміст вільного метану характерний для верхніх горизонтів шахтних полів та ділянок, де в основній покрівлі вугільного пласта знаходяться потужні обводнені пісковики, а вугленосна товща розірвана середньоамплітудними скидами, а також для зон, що примикають до зміщувачів великоамплітудних насувів (Добропільського, Мерцалівського).

Регіональна складова вмісту вільного метану у вугільних пластах змінюється від 10 до 30 % від загальної їх метаноносності. На полях шахт “Білозерська”, “Алмазна”, “Добропільська”, “Білицька” і “Краснолиманська”, а також у межах дільниці “Добропільська-Капітальна” вміст вільного метану зростає у північно-східному напрямку, паралельно збільшенню глибини залягання вугільних пластів. Це свідчить про те, що основним регіональним чинником вмісту вільного метану у вугільних пластах є глибина їх залягання. На полі шахти “Родинська” спостерігається зменшення регіональної складової вмісту вільного метану в напрямку зростання глибини залягання вугільних пластів. Це явище являє собою виняток із загального правила і потребує подальшого вивчення.

Локальні відхилення вмісту вільного метану у вугільних пластах від його регіонального фону змінюються на площі, що досліджується від 1-2 до 5-10 % та дещо більше, маючи як додатній, так і від'ємний знак. Вони зумовлені впливом місцевих геологічних факторів метаноносності.

До локальних геологічних чинників, які зумовлювали формування позитивних аномалій вмісту вільного метану у вугільних пластах, відносяться:

- локальні синклінальні структури вугленосної товщі з інтенсивністю складчастості від 1,4 до 4,6 градусів (поля шахт “Алмазна”, “Добропільська”, “Білицька”, “Родинська”, “Краснолиманська”, дільниця “Добропільська-Капітальна”);

- зони зміщувачів середньоамплітудних скидів - Гнилушинського, Карпівського, Самійлівського (поля шахт “Білозерська”, “Алмазна”, дільниця “Добропільська-Капітальна”).

Локальними геологічними чинниками, які зумовлювали формування негативних локальних аномалій вмісту вільного метану у вугільних пластах, слугували:

- зони зміщувачів великоамплітудних насувів - Добропільського, Мерцалівського (поля шахт “Добропільська”, “Білицька”, дільниця “Добропільська-Капітальна”);

- наявність пісковиків у безпосередній покрівлі вугільних пластів.

Розділ 6. Прогностичні критерії визначення перспективних ділянок для видобутку метану в Красноармійському геолого-промисловому районі Донбасу

Найбільш перспективні ділянки для видобутку метану з вугільних пластів мусять задовольняти двом умовам: 1) ділянки повинні мати найбільш великі запаси метану; 2) метан з вугільних пластів на цих ділянках мусить виділятись як можна легше та повніше.

Підвищені запаси метану у вугільних пластах зумовлені переважно регіональними чинниками. Для Красноармійського геолого-промислового району Донбасу це є площа від шахти “Білозерська” на півночі до шахти ім.Стаханова на півдні.

Розглянемо більш детально чинники, які зумовлюють вміст вільного метану у вугільних пластах. Узагальнені дані по 99 свердловинах. Залежність локального вмісту вільного метану (%L) від кута локальної складчастості (F) має форму параболи, яка описується рівнянням:

%L = -1,83F2+10,84F-11,07.

Кореляційне відношення між показниками склало 0,51. Кореляційне відношення достатньо надійне, значуще. Тобто існує надійний, значущий кореляційний зв'язок між вмістом локальної частини вільного метану та інтенсивністю локальної складчастості. Вирішення рівняння при (%L)=0, має два корені: F=1,4 та F=4,6. В цьому інтервалі значення (%L) є позитивними. Його можна вважати оптимальним для утворення позитивних аномалій вмісту вільного метану у вугільних пластах. Достатньо надійний кореляційний зв'язок між параметрами дає можливість вважати оптимальний діапазон локальної складчастості прогностичним критерієм для виділення перспективних ділянок для видобутку метану.

На вміст вільного метану у вугільних пластах впливає також і літологічна будова покрівлі. Середнє значення локального вмісту вільного метану %L у вугільних пластах відносно регіонального фону для ділянок з різними типами порід у покрівлі становить (%): для аргілітів - плюс 4,6, для алевролітів - мінус 1,4, для пісковиків - мінус 6,3 (узагальнено дані по 6 шахтних полях, 79 свердловинах). Очевидно, що ділянки вугільного пласта, в покрівлі яких залягають аргіліти, мають підвищений вміст локального вільного метану. Для ділянок, в покрівлі яких залягає алевроліт, вміст вільного метану близький до регіонального фону, а для ділянок вугільного пласта з пісковиком у покрівлі є зниженим. Перевірка суттєвості відмінності між вибірками замірів вмісту локального вільного метану у вугільному пласті для дільниць з різними літологічними типами покрівлі за допомогою критерія Ст'юдента показала, що різниця між вмістом локального вільного метану у вугільному пласті є суттєво відмінною для дільниць з аргілітом та дільниць з іншими типами порід (пісковиком або алевролітом) у покрівлі. Статистичне доведення того, що ділянки вугільного пласта, в покрівлі яких залягає аргіліт, мають суттєво збільшений вміст вільного метану, дає можливість вважати такі ділянки найбільш перспективними з точки зору видобутку метану. Тобто, присутність аргіліту в покрівлі вугільного пласта є прогностичним критерієм для відокремлення перспективних ділянок.

Присутність розривних порушень впливає як на локальну газоносність вугільних пластів, так і на локальний вміст у них вільного метану. Розриви різних рангів та у різних умовах по-різному проявляються. Вміст вільного газу в зонах мало- та середньоамплітудних розривів переважно зростає, а газоносність іноді зростає, а у переважній більшості випадків знижується, особливо в зонах великоамплітудних розривів. Середні значення локального вмісту вільного метану відносно регіонального фону у вугільних пластах склали (%): для непорушених зон - мінус 0,9, для зон середньоамплітудних розривів - плюс 4,3, для зон великоамплітудних розривів - мінус 2,2 (загальна кількість замірів 92). Середній локальний вміст вільного метану у вугільному пласті є близьким до регіонального фонового для непорушених ділянок, зростає для зон середньоамплітудних розривів, та є дещо зниженим для зон великоамплітудних розривів. Перевірка відмінностей між середніми значеннями локального вмісту вільного метану у вугільному пласті та дисперсіями для зон з різною порушеністю показала, що при вірогідності 0,95: 1) спостерігається суттєва різниця по середнім значенням між першою та другою і третьою та другою вибірками; 2) спостерігається суттєва різниця між дисперсіями між першою та другою вибірками. Таким чином, у зонах середньоамплітудних розривів спостерігається суттєве підвищення значень вмісту локального вільного метану у вугільному пласті по відношенню до непорушених зон та зон великоамплітудних розривів. У зонах великоамплітудних розривів середні значення вмісту локального вільного метану суттєво не відрізняються від непорушених зон, але суттєво зростає дисперсія замірів. Тобто, в зонах великих розривів спостерігаються ділянки як з підвищеними, так і зі зниженими замірами.

Викладене вище дає можливість вважати, що ділянки, порушені середньоамплітудними розривами, мають суттєво підвищений вміст вільного метану. Тобто, вони є перспективними з точки зору першочергового видобутку метану.

Таким чином, прогностичними критеріями, за допомогою яких повинно здійснюватись відокремлення ділянок для першочергового видобутку метану для умов Красноармійського геолого-промислового району Донбасу є:

1) підвищені запаси метану у вугільних пластах (для відкладів середнього карбону це площа від шахти “Білозерська” до шахти ім.Стаханова);

2) наявність локальної складчастості з оптимальною інтенсивністю (кут складчастості від 1,4 до 4,6 градусів);

3) наявність аргіліта у покрівлі вугільних пластів;

4) наявність середньоамплітудної розривної порушеності.

За допомогою цих критеріїв було здійснено виділення найбільш перспективних ділянок для першочергового видобутку метану на прикладі пласта l3 дільниці “Добропільська-Капітальна”.

Висновки

При виконанні дисертаційної роботи отримані наступні наукові та практичні результати.

Вперше здійснено виділення локальних аномалій газоносності вугільних пластів та вмісту в них вільного метану в межах Красноармійського геолого-промислового району. Це виконано в результаті розподілу загальної газоносності вугільних пластів та вмісту в них вільного метану, які визначаються за даними опробування вугілля керногазонабірниками в розвідувальних свердловинах, на дві складові: регіональну та локальну. Локальні відхилення газоносності вугільних пластів та вмісту в них вільного метану від регіонального фону бувають як додатні, так і від'ємні. Їх величина змінюється відповідно від 1-2 до 6-8 м3/т г.м. та від 1-2 до 5-10% відносно загальної метаноносності вугілля. Локальні відхилення зумовлені впливом на газоносність місцевих геологічних факторів, які накладалися на регіональні чинники і тим самим створювали конкретні умови для формування метаноносності вугільних пластів, в тому числі у вільній фазі. Співставлення локальних аномалій газоносності вугільних пластів та вмісту у них вільного метану з встановленими в результаті детального аналізу закономірностями змінення в регіоні всіх геологічних факторів газоносності (ступеня метаморфізму вугілля, глибини залягання пластів, тектоніки вугленосної формації, в тому числі малоамплітудної, літологічного складу вміщуючих порід та їх обводнення) дозволило встановити характер впливу кожного із чинників на розподіл метану у вугільних пластах на площі Красноармійського геолого-промислового району Донбасу.

Встановлений вплив літологічних факторів на розподіл метану у вугільних пластах Красноармійського району. Доведено, що наявність обводнених пісковиків у складі порід основної або безпосередньої покрівлі зумовлює формування локальних зон зниженої газоносності вугільних пластів. На ділянках шахтних полів, де в складі порід основної або безпосередньої покрівлі вугільних пластів присутні пласти обводнених пісковиків потужністю від 3-5 до 10-20 м, розміщуються від'ємні газові аномалії з величиною відхилення від регіонального фону від 2 до 6 м3/т г.м. На таких ділянках часто спостерігаються прориви підземних вод в гірничі виробки. Підземні води тут надходять з пісковиків до вугільного пласта, розчиняють метанові гази та відносять їх з останнього, сприяючи зниженню його газоносності. На ділянках шахтних полів, де в складі основної та безпосередньої покрівлі вугільних пластів пісковики відсутні, розміщуються додатні газові аномалії з величиною відхилення від регіонального фону від 2 до 8 м3/т г.м.

Визначений вплив тектонічних факторів на розподіл метану у вугільних пластах Красноармійського району. Доведено, що наявність локальних складчастих структур зумовлює формування зон підвищеної газоносності, а присутність великоамплітудних розривів сприяє дегазації вугленосної товщі та формуванню зон зниженої газоносності. На ділянках шахтних полів, де у вугленосних покладах розвинуті похилі (2-5 градусів) локальні синкліналі, розміщуються позитивні газові аномалії з величиною відхилення від регіонального фону від 2 до 8 м3/т г.м.. Підвищена газоносність вугільних пластів в межах локальних складчастих структур зумовлена більш інтенсивною тріщинуватістю та газоємкістю вугілля на таких ділянках. В зонах зміщувачів великоамплітудних насувів - Добропільського і Центрального відмічаються негативні газові аномалії з величиною відхилення від регіонального фону 2-4 м3/т г.м. Більш інтенсивна дегазація вугільних пластів пов'язана в цьому випадку з підвищеною проникністю вугленосних покладів в зонах зміщувачів розривів.

Встановлений вплив тектонічних та літологічних факторів на формування зон підвищеного вмісту вільного метану у вугільних пластах Красноармійського району. Доведено, що наявність локальних складок з інтенсивністю 1,4-4,6 градусів та середньоамплітудних розривів з амплітудою зміщення в кілька десятків метрів при відсутності в безпосередній покрівлі пісковиків, зумовлюють формування локальних скупчень вільного метану у вугільних пластах, що дозволяє використовувати ці показники в якості прогностичних критеріїв. На ділянках шахтних полів, де у вугленосних покладах розвинуті похилі локальні синкліналі, спостерігаються локальні позитивні відхилення вмісту вільного метану у вугільних пластах від його регіонального фону. Величина цих відхилень складає в таких аномаліях від 1-2 до 5-10% по відношенню до загальної метаноносності вугільних пластів. Найбільш потужні аномалії вільного метану (понад 5-10%) притаманні локальним синкліналям з інтенсивністю складчастості від 1,4 до 4,6 градусів. Позитивні аномалії вмісту вільного метану у вугільних пластах до 5-10% по відношенню до його регіонального фону відмічаються також в зонах зміщувачів середньоамплітудних розривів. Все це дає можливість використовувати показники ступеня порушеності вугільних пластів локальними складками та середньоамплітудними розривами в якості прогностичних критеріїв для пошуків локальних скупчень вільного метану у вугільних пластах.

Отримані результати склали наукове підгрунтя для розробки прогностичних критеріїв та здійснення прогнозування найбільш перспективних ділянок для видобутку метану з вугільного пласта l3 на дільниці “Добропільська-Капітальна”.

Достовірність отриманих результатів грунтується на великому обсязі використаної геологічної інформації та використанні надійних, апробованих методів її аналізу і обробки.

Таким чином, виконані дослідження дозволили вирішити важливу наукову та практичну задачу встановлення геологічних чинників формування та закономірностей розташування перспективних ділянок для видобутку метану з вугільних пластів Красноармійського геолого-промислового району Донбасу. Наукові результати дисертаційної роботи необхідно враховувати при дослідженні метаноносності вугільних пластів в інших геолого-промислових районах Донбасу та Львівсько-Волинському вугільному басейні. Практичні результати, що стосуються виділення прогнозних скупчень вільного метану на дільниці “Добропільська-Капітальна”, то вони можуть бути використаними ПО “Укрвуглегеологія” при здійсненні дослідно-промислових випробувань з вибору раціонального комплексу методів і технології видобутку метану на Красноармійському полігоні.

Список опублікованих праць здобувача за темою дисертації

Генетические типы малоамплитудных разрывов поля шахты XXI съезда КПСС/ Приходченко В.Ф., Козлов С.С., Шлопоченко С.Т., Приходченко С.Ю., Ващенко В.И.// Уголь Украины.-1992.-№ 2.-С. 53-56.

Приходченко В.Ф., Приходченко С.Ю. Малоамплітудна тектоніка вугільних пластів у різних крилах Добропільського насуву (Донбас)// Геологія і геохімія горючих копалин.-1992.-№ 4.-С. 48-51.

Козлов С.С., Приходченко В.Ф., Приходченко С.Ю. Закономерности распространения микрозалежей метана в угленосных отложениях Донбасса// Уголь Украины.-1993.-№ 11.-С. 53-54.

Приходченко С.Ю. Влияние тектонической нарушенности на выбросоопасность угольных пластов Краснодонского района Донбасса/ Техника и технология горного производства. Сб. научн. трудов ИГТМ АН Украины.-Киев.: Наукова думка, 1993.-С. 12-13.

Приходченко В.Ф., Приходченко С.Ю. Тектонические факторы контролирующие образование скоплений свободного метана в угольных пластах// Геология угольных месторождений: межвуз. науч.-теметич. сборник.-Вып. 8.-Екатеринбург.-1998.-С. 254-255.

Приходченко В.Ф., Приходченко С.Ю. Особливості розповсюдження малоамплітудних розривів вугленосної формації Донбасу// Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць/ Ін-т Геотехнічної механіки НАН України.-Дніпропетровськ,1998.-Вип. 10.-С. 60-64.