Проявление метана, как опасного спутника при добыче угля, требует специальных подходов при эксплуатации угольных шахт и обуславливает разработку мероприятий по борьбе с метанопроявлением. При проектировании технических характеристик вентиляционных и дренажных установок используются результаты прогнозирования метанообильности угольных месторождений.
«Исходными для прогнозного расчета метанообильности шахт являются данные о природной газоносности угольных пластов, получаемые при разведке угольных месторождений. В настоящее время определение газоносности угольных пластов осуществляется преимущественно с помощью проб угля, отобранных керногазонаборниками, опробователями пластов, геолого-геофизическими методиками» [1-4]. Хотя и косвенные методы, несомненно, являются высокоинформативным инструментом при прогнозе газоносности, но их достоверность зависит от качества и количества геологических данных, полученных методом прямого определения газоносности с помощью керногазонаборников [2; 4]. Свидетельство тому – авария на шахте «Листвяжная» в Кузбассе, связанная с выбросами метана, которая повлекла за собой катастрофические последствия. Поэтому детальное и всестороннее изучение газоносности Нерюнгринского месторождения имеет важное значение, т.к. отработка угольного пласта «Пятиметровый» планируется подземным способом.
Самую большую опасность для горняков представляют взрывоопасные газы. Взрывоопасные рудничные газы обычно состоят на 90–98% из метана и лишь в незначительных количествах из водорода, гомологов метана (этана, пропана, бутана) и других горючих газов. Метан – это газ без цвета и запаха, почти вдвое легче воздуха. При содержании метана в воздухе в пределах от 4,9–5 до 15–16% он образует взрывчатые смеси. Наибольшую силу взрыва создает смесь, содержащая 9,1% метана [5-7].
Выявление зависимостей и закономерностей изменения метаноносности угольных пластов актуально для исследований в области повышения достоверности прогнозирования метаноносности угольных месторождений.
Цель исследования: провести анализ газоносности, определить состав газов угленосной толщи Нерюнгринского каменноугольного месторождения, оценить метаноносность месторождения.
Материал и методы исследования
В основу исследований положены материалы геологического изучения Нерюнгринского месторождения на разных стадиях его освоения.
Основными методами изучения газоносности угольных пластов и вмещающих пород месторождения являлись:
1. Методы изучения качественного состава газа по данным проб, отобранных в герметические стаканы (ГС).
2. Метод прямого определения газоносности с помощью керногазонаборников типа КГН.
3. Хроматографический анализ отобранных проб природного газа из углепородного массива месторождения.
Результаты исследования и их обсуждение
Нерюнгринское месторождение находится в Алдано-Чульманском угленосном районе Южно-Якутского угольного бассейна [8]. Промышленный интерес представляют пласты «Мощный» и «Пятиметровый».
К «основным факторам, оказавшим влияние на газоносность Нерюнгринского месторождения, относятся: угленосность, метаморфизм углей, тектоника, гидрогеологические, геокриологические условия, горные работы» и др. [2; 8].
Развитие на месторождении многолетней мерзлоты «определяющего значения на газоносность пластов не оказывает вследствие ее островного распространения и относительно непродолжительного времени развития. Однако ее наличие все же обусловило отсутствие зоны полной деметанизации» [8].
Важнейшими факторами, «способствующими современной дегазации пласта, являются: нарушение поверхности добычными работами на пласте «Мощном», а также температурного и гидрогеологического режимов в результате горных работ и защитного водоотлива из скважин. Все перечисленные факторы действуют не обособленно, а совместно, взаимодействуя друг с другом» [2].
Опробование угольных пластов проводилось по профилям с расстояниями между ними 0,5–1 км.
К представительным относятся пробы, удовлетворяющие следующим требованиям:
- пробы отобраны со всеми требованиями технологии опробования;
- пробы надежно загерметизированы, и герметичность не нарушалась в процессе транспортировки и дегазации;
- пробы не имели подсоса воздуха в процессе дегазации;
- содержание кислорода в пробе менее 5%;
- масса пробы более: 200 г.с.б.м. (КГН – уголь), 800 г (КГН – порода), 150 г.с.б.м. (ГС – уголь), 300 г (ГС – порода);
- выход керна не менее 70%;
- зольность угля менее 45%, углистых пород – 50-70%, слабоуглистых и неуглистых – более 70%.
Пробы анализировались на хроматографе марки GC-2010 PLUS SHIMADZU.
По результатам анализа проб определен состав газов угленосной толщи Нерюнгринского месторождения. Установлены: метан, азот, углекислый газ, углеводородные газы, водород.
Метан (СН4) присутствует во всех пробах. Содержание его в угольном пласте «Пятиметровый» изменяется от 0,1 до 99%, возрастая с глубиной залегания пласта. Минимальное содержание метана (0,0008-0,3%) встречено на глубине 4 м. Максимальное значение содержание СН4 (90%) встречено на глубине 390 м.
Зона полной деметанизации на месторождении отсутствует.
Кроме того, существенное содержание метана находится в подземных водах, циркулирующих в углепородной толще. Содержание метана в газах, растворенных в воде, изменяется от 1,73 до 32,2%, что составляет от 0,45 до 10,23 см3/ литр.
В свободно выделившемся газе концентрация метана изменяется от 1,29 до 3,6%.
В газах вмещающих пород концентрация метана колеблется от 0,6% до 91,9%. Содержание метана в породах зависит от количества рассеянного органического вещества. С увеличением концентрации последнего возрастает и метаноносность породы (рис. 1).
Генетически метан связан с угольными пластами и рассеянным во вмещающих породах органическим веществом, являясь в основном продуктом термобарического преобразования органической массы. Не исключена возможность привноса части метана из нижележащей угленосной толщи по глубинным разломам [9].
Тяжелые углеводороды. В составе газов угольных пластов обнаружены все гомологии метана от 0,0001 до 0,005, редко непредельные углеводороды С2Н6 достигают 0,1%. Во вмещающих породах и растворенных газах непредельные углеводороды отсутствуют, в то время как предельные углеводороды встречаются часто в небольших количествах 0,01%. В связи с тем что количество их невелико, существенного влияния на горнотехнические условия отработки месторождения углеводороды оказывать не будут.
Водород (Н2) является постоянным компонентом угленосной толщи. Он встречен во всех угольных и породных пробах, в подземных водах и свободновыделившемся газе. Содержание его в большинстве проб не превышает 0,5%. Однако встречаются аномальные пробы, в которых содержание водорода превышает 1%.
Рис. 1. Зависимость содержания метана от содержания органического вещества
Средняя концентрация Н2 во вмещающих породах составляет 0,8% при колебаниях от 0,02 до 7,7%.
В свободновыделившемся газе Н2 не превышает 0,1%. Водород обнаружен также в подземных водах, где он находится в растворенном состоянии, в количестве 0,2–2,37%.
Присутствие водорода в составе свободновыделившегося газа в подземных водах в свободной фазе дегазации угля подтверждает его природное происхождение.
При существующей современной методике отбора проб газа какой-либо закономерности в распределении водорода по глубинам и по площади не удалось обнаружить. Содержание водорода в пробах в большинстве случаев не превышает 0,3-0,5%. Абсолютное содержание Н2 не превышает 0,1 м3/г.
Наличие водорода в угленосной толще связано, по всей видимости, с метаморфизмом угля, однако не исключена возможность подтока водорода из разрывных нарушений из более глубоких горизонтов угленосной толщи [9].
Азот (N2) содержится в составе газов угольных отложений от 0,61 до 99,83%, закономерно уменьшаясь с увеличением глубины.
Азот в основном атмосферного происхождения; некоторое количество азота образуется в результате захоронения воздуха в процессе осадконакопления угленосной толщи.
Углекислый газ (СО2) отмечен в большинстве проб (60%), отобранных на месторождении. В составе газов содержание его незначительное и не превышает в основном 5%. Более высокое содержание углекислого газа – до 56,7% в пласте Мощном и 18,46% в пласте Пятиметровом – отмечается вблизи выходов на дневную поверхность, что связано с окислительными процессами в угле.
В зоне метановых газов содержание углекислого газа в угле не превышает десятых долей м3/т.
Значительное количество СО2 содержится в растворенном состоянии в подземных водах. Концентрация его изменяется от 0,31 до 29,66%, или 0,1–6,94 см3/литр. В свободновыделившемся газе содержание СО2 – 2,90%.
Основное количество углекислого газа, присутствующего в угленосной толще, образовалось при окислении угля, но, по-видимому, имеется углекислый газ, образовавшийся при метаморфизации угля, особенно на более глубоких горизонтах месторождения [10].
При изучении газового состава газа угленосной толщи Нерюнгринского месторождения установлены две основные газовые зоны (рис. 2):
Рис. 2. Газовая зональность пласта «Пятиметровый»: I – зона газового выветривания (зоны метано-азотная и азотно-метановая); II – зона метановых газов
Концентрация метана и природная метаноносность, характерные для верхней границы метановых газов (80% СН4 и 2-3 м3/т СН4), установлены в пластах на глубинах 100-150 м ниже поверхности статического уровня подземных вод при ненарушенном режиме, что соответствует интервалу в абсолютных отметках 550-600 м. Глубина залегания верхней границы метановой зоны от дневной поверхности зависит от повышения рельефа над статическим уровнем подземных вод. Максимальная мощность зоны газового выветривания характерна для наиболее высоких водораздельных участков, где она достигает 300 метров. Таким образом, весь пласт «Пятиметровый», за исключением разновеликой полосы (50-250 м) вдоль выхода его на поверхность, залегает в зоне метановых газов.
Средняя мощность зоны газового выветривания составляет 250-280 м от поверхности, причем глубина зоны метано-азотных газов 180-210 м, зона азотно-метановых газов фиксируется в интервалах глубин 170-270 м (рис. 2). Природные газы в угленосные толще месторождения в метановой зоне представлены в основном метаном.
Газоносность угольных пластов по водороду не выше 0,1 м3/т, углекислому газу 0,8 м3/т. Вследствие этого в выполненных нами исследованиях основное внимание было уделено метану и метаноносности углепородного массива Нерюнгринского месторождения.
Природная метаноносность угольных пластов на месторождении меняется от 0,001 до 12,6 метра кубического на тонну сухой беззольной массы (м3/т.с.б.м.). Максимальное значение встречено в пласте «Пятиметровый» на глубине 466,0 м в скважине, расположенной в наиболее погруженной части брахисинклинали.
В пределах месторождения отмечается закономерное увеличение метаноносности угольных пластов с глубиной их залегания (рис. 3).
Так, при глубине 100 м средняя метаноносность составляет 1,0-1,2 м3/ т.с.б.м.; 200 м – 2,0-3,0; 300 м – 5,0-5,9; 400 м – 8,8-9,5; 500 м – 9,8-11,7 м3/т.с.б.м. Максимальный градиент метаноносности установлен в интервале 200-350 м и составляет 3-4 м3/т.с.б.м. на 100 м (рис. 3).
По характеру распределения метана в угленосной толще на площади месторождения выделяются три различных участка: северо-западный, центральный и южный.
Рис. 3. Изменение с глубиной метаноносности пласта «Пятиметровый» в метрах кубических на тонну сухой беззольной массы (м3/т.с.б.м.): 1 – кривая нарастания природной газоносности; 2 – кривая нарастания природной метаноносности
Северо-западная часть характеризуется невыдержанной мощностью газового выветривания, изменяющейся от 70 до 250 м. Метаноносность колеблется от 0,004 до 5,6 м3/т.с.б.м. Основными газоконтролирующими факторами являются: влияние тектонических нарушений, наличие мерзлоты и действующего разреза.
В настоящее время в связи с широким развитием горных работ мерзлотная обстановка изменилась, мерзлотный экран уничтожен. В результате снятия многолетнемерзлых пород и угольного пласта «Мощного» происходит естественная дегазация пласта «Пятиметрового» (рис. 4). Так, при ненарушенной поверхности земли метаноносность пласта «Пятиметрового» на глубине 310 м достигала 10 м3/т.с.б.м. При снятии 170-метровой толщи пород и угля метаноносность пласта уменьшилась вдвое – до 5 м3/т.с.б.м.
На севере верхняя граница метановых газов сместилась к центру на 300-400 м.
Однако дегазация угольных пластов на западе участка происходит неодинаково. Так, метаноносность пласта «Пятиметровый» остается довольно высокой – 8,3 м3/т.с.б.м. на глубине 90 м (снято 200 м).
Это объясняется тем, что участок приурочен к изолированному тектоническому блоку, образованному системой нарушений сбросового характера, являющемуся для газа экраном.
Рис. 4. Карта прогнозной метаноносности пласта «Пятиметровый» в метрах кубических на тонну сухой беззольной массы (м3/т.с.б.м.). Масштаб 1:50000
Центральная часть месторождения, где угольные пласты залегают на большей глубине, характеризуется повышенными значениями метаноносности пласта «Пятиметровый» – от 9 до 12,6 м3/т.с.б.м. Мощность газового выветривания достигает здесь 280-300 м.
Южная часть характеризуется малой мощностью газового выветривания 60-130 м. Вместе с этим метаноносность относительно низкая и изменяется от 0,001 до 5,33 м3/т.с.б.м. Максимальная метаноносность (5,33 м3/т.с.б.м.) зафиксирована на глубине 240,0 м.
Большое влияние на процессы дегазации оказывает осушение пласта «Мощного». Абсолютное содержание метана в подземных водах, откачиваемых скважными, изменяется от 0,45 до 10,23 м3/литр, среднее 5,9 м3/литр. При средней производительности системы осушения 60-70 тыс. м3/сутки с водой выбрасывается в среднем 300-360 м3 метана в сутки.
По результатам исследований построена карта прогнозной метаноносности пласта «Пятиметровый» (рис. 4).
Границей между метановой зоной и зоной газового выветривания принята изомета, равная 2 м3/т.с.б.м.
Метаноносность вмещающих пород незначительная и изменяется от 0,008 до 0,9 м3/т, составляя в среднем 0,35 м3/т. С увеличением содержания углистого вещества в природе метаноносность возрастает. Так, при зольности 50% метаноносность увеличивается до 3,92 м3/т. Качественно природные газы вмещающих пород не отличаются от природных газов угольных пластов.
Отмечены редкие кратковременные малодебитные выделения свободного газа, относящиеся к скоплениям его в небольших количествах в ловушках, связанных с нижней границей мерзлоты, которая находится выше уровня подземных вод, являясь экраном для газа, создавая своеобразную ловушку. Однако такие локальные выделения возможны в процессе проходки горных выработок, вскрывающих подобные ловушки.
Заключение
Таким образом, по результатам изучения газоносности в углепородном массиве Нерюнгринского месторождения, насыщенность природными газами: метан (0,1–99%), тяжелые углеводороды (0,0001–0,1%), водород (0,1–14%), углекислый газ (0,1–18,5%), азот (0,6–99,85%). В пределах месторождения в угольных пластах выявлены зоны газового выветривания и зона метановых газов. Зона полной деметанизации отсутствует. В зоне газового выветривания выделены зоны метано-азотных и азотно-метановых газов. Метаноносность углей колеблется от сотых долей до 12,6 м3/т.с.б.м. Максимальная метаноносность (12,6 м3/т.с.б.м) встречена на глубине 466 м в пласте «Пятиметровый» в центре месторождения.
Природные газы вмещающих пород не отличаются от газов угольных пластов, однако метаноносность пород существенно ниже. Преобладают значения от следов до 0,3 м3/т.с.б.м.
В северо-восточной части зафиксировано слабое малодебитное выделение свободного газа, связанного со скоплениями его в небольших количествах в ловушках, образованных локальными участками многолетней мерзлоты.
Содержание метана в породах зависит от количества рассеянного органического вещества. С увеличением концентрации последнего возрастает и метаноносность породы.
Библиографическая ссылка
Гриб Н.Н., Кузнецов П.Ю., Малинин Ю.А., Колодезников И.И., Гриб Г.В. ГАЗОНОСНОСТИ НЕРЮНГРИНСКОГО КАМЕННОУГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ // Успехи современного естествознания. – 2022. – № 2. – С. 46-53;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37777 (дата обращения: 20.04.2024).