CC BY
35
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 97"
МОСКВА, МГТУ, 3.02.97 - 7.02.97
СЕМИНАР 1 “ ПРОБЛЕМЫ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ (ДОБЫЧИ) МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИИ
Е.В.Гончаров, инж.
Н.В.Гусева, к.т.н.
Государственный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела
Н.Д.Иванников
инж., шахта "Стахановская", АО "Испат-Кармет"
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОПОВ МОРФОСТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА ОЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗОН ВЫСОКОЙ ГАЗООТПАЧИ
Авторы обращались к теме "Прогнозирование местоположения участков угольных пластов, пригодных для промышленного каптирования метана", например, в одноименной публикации в Межвузовском сборнике научных трудов № 24 "Физические процессы горного производства", С-Петербург, 1995 г., изд-во СПГГИ(ТУ) им. Г.В. Плеханова, стр. 100-104. В этой публикации обосновывалась локальность и нестабильность фильтрационных свойств, обусловленная, кроме генетических факторов и неоднородностью поля напряжений, формируемой, кроме тектонических факторов, еще и природными концентраторами напряжений: размывами, выклиниваниями "жестких" слоев, пластов иных структур, образующих псевдозоны повышенного горного давления (зоны ПГД). К ним, в первую очередь, примыкают "области с пониженным уровнем напряжений, области "перегиба", растяжений, где условия фильтрации облегчены и наиболее вероятно скопление газа в свободной форме, удобной для промышленного каптирования. Такие области вероятны и активизируются при наличии неотектонических движений локальных элементов породного фундамента или структур.
Естественен промышленный интерес к методам выявления таких зон. Без-
условно, среди наиболее дешевых и доступных необходимо принять во внимание морфометрические методы, тем более, что на абсолютном большинстве угольных месторождений, где геофизические поля мало дифференцированы, морфометрические методы, видимо, единственное корректное средство для решения таких задач.
Под понятием "морфоструктура" различные исследователи имеют ввиду и следующие синонимы: морфологическую структуру, неотектоническую структуру, элементы морфотектоники, геоморфологическую структуру и т.п. Однако, во всех случаях под этим понимают структурное образование, выраженное в рельефе.
Морфоструктурный анализ в настоящее время обладает довольно широким арсеналом методов и приемов изучения новейшего структурного плана:
• геоморфологические методы;
• морфометрические методы, в том числе метод В.П. Филосо-фова;
• геолого-геоморфологические методы;
• геологические методы;
• ландшафтные методы;
• метод изучения мегатрещиноватости и т.п.
В настоящее время в силу широкомасштабного применения геофизических методов морфоструктурные методы имеют описательное значение и редко применяются для прогноза и поиска неф-те- и газоносных структур. В рамках работы морфоструктурные методы и, в частности, метод В.П.Философова (1960), использован для прогноза неотектониче-ских движений и областей "растяжения" или "перегиба" между смещающимися структурами, как наиболее широко апробированный на рельефах, подобных Тен-текскому району Карагандинского бассейна, где не представлены структуры, связанные с тангенциальным давлением и движением. До настоящего времени на шахтах морфоструктурные методы не применялись. Однако была практика применения метода геодинамического районирования авторов И.М.Петухова и И.М.Ватутиной, а также метода текто-нодинамического районирования автора П.Н.Николаева, который в условиях Караганды применили Е.В.Гончаров и Н. Д. Иванников.
Метод геодинамического районирования широко представлен в целом ряде отчетов, статей и монографий. Он включает оценку высотного плана рельефа и выделение на нем блоков с усредненными высотами, различающимися на определенный "шаг". Границы блоков выделяют по природным признакам: русла рек, овраги, меандрирование и т.п. Границы блоков называют разломами и предполагают, что они распространяются вертикально к подстилающему фундаменту. Предполагается, что ограниченные "блоки" представляют собой призматическое построение на всю глубину. Их генезис ясно не определен, совпадение с тектоническими нарушениями часто не наблюдается, хотя такие совпадения вполне могут иметь место, так, как при проведении границ блоков по долинам рек, особенно крупных, эти границы могут проходить и над фактическими разломами, что не противоречит геоморфо-
логическим принципам. Призматический вид блоков позволяет применить решение плоской задачи теории упругости и, задав какие-то граничные условия на границах рассматриваемого участка из целого ряда блоков, рассчитать напряжения на границах этих блоков и внутри их, а затем, используя зависимости между напряженным состоянием и проницаемостью, предрассчитать фильтрационные и коллекторские свойства участка. Авторам не известны корректные сопоставительные исследования. Метод тектоноди-намического районирования, известный по монографии П.Н.Николаева "Методика тектонодинамического анализа", М., "Недра", 1992 г., включает анализ рельефа поверхности и геоморфологических структур в комплексе с анализом имеющейся информации о тектонических нарушениях в рассматриваемом районе, кинематику движения участков массива, его деформирование и взаимодействие выделенных тектонических блоков, исходя из этой кинематики.
Опыт применения этого метода был получен на шахте "Стахановская". Он подробно изложен в материале, о котором упоминалось в самом начале материала.
В указанной статье впервые установлено, что морфоструктурный анализ поверхности, не столько выявляет границы блоков, сколько определяет области псевдоопор (области выклинивания или иной локализации "жестких" пород). Кроме того, он указывает область "перегибов" геологических блоков, образующихся при их неравномерном движении в период тектонических перемещений. Причем эта генеральная тенденция сохраняется даже при отработке вышележащих пластов при отсутствии значительных целиков (более 0,1 /, где / - ширина зоны опорного давления).
На плане поверхности (см. рис. 1), составленном до отработки пластов на рассматриваемом участке, отчетливо прослеживаются области меридиональ-
ной ориентации между тектоническими нарушениями (с амплитудой разрыва на севере 8 м и 2-5 м на юге).
На зонах перегиба и были получены значительные и стабильные дебиты метана, превосходящие объем метана (табл. 1), содержащегося в угле пл. 1012 в радиусе действия скважины, рассчиты-
ваемом по нормативным руководствам. Количественно уровень напряжений не оценивался, но качественно были выделены области вероятной большей или меньшей пригрузки, на основе чего прогнозировались и фильтрационные свойства. Хотя анализ планов поверхности и трудоемок, однако, как показал
Таблица 1
Данные замеров по работе дегазационных скважин на пласт-спутник 1(12
Лава 26 К Куст№ 10
ч3/ мин СН4 100 %
II III IV V VI VII VIII IX X XI XII I II III IV V VI VII
94 г. 94 г. 94 г. 94 г. 94 г 94 г. 94 г. 94 г. 94 г. 94 г. 94 г. 95 г. 95 г. 95 г. 95 г. 95 г. 95 г 95 г
м3/чин 1.5 6.2 5.9 4.0 3.2 3.8 4.2 4.0 3.6 4.1 6.5 1.5 2.5 2.6 3.4 2.7 2.8 2.7
5.1 5.4 5.7 3.4 4.2 5.3 Г 3.0 4.5 4.6 3.8 7.2 1.5 2.3 2.7 3.1 3.2 3.4 3.2
2.7 5,02 3.2 3.2 5.9 6.1 3.9 "I Г 6.0 2.5 3.8 2.0 2.8 3.4
4.3
Срдне* значение м /мин 5.1 5.5 4.9 3.5 4.4 5.0 3.7 4,65 4.1 3.47 5.8 1.7 2.53 2.9 3.25 2.95 3.1 2.9
Съем СН4М 245520 156240 216000 207576 149904 58032 123456 131680 229456
мес*ц 205632 261680 190080 165168 17712С 158912 102009 145080 133920
М15000
Рис. 1. Тектонодиначическое районирование на участке шахты "Стахановская "
первый в Карагандинском бассейне опыт, позволяет составить достаточно объективное представление о характере движения (изгибах, перегибах, растрескивании значительных по площади участков угленосной толщи и в сочетании с данными геологоразведки сформулировать прогнозные решения по оптимизации применения средств искусственной дегазации.
Применение этой методики на поле шахты им. В.И.Ленина оказалось несравненно более сложным из-за сложной тектоники.
Как говорилось выше, метод В.П.Философова был выбран как наиболее теоретически обоснованный и практически опробованный на рельефах, подобных рельефу Тентекского района. Кроме того, как писал сам В.П. Философов, метод опробован . на территориях Оренбургской, Куйбышевской, Пермской, Кировской областей, Татарской и Удмуртской республик, где плавные поднятия хорошо совмещались со структу-
/1207.
рами, сложенными палеозойскими породами (то есть "фундаментом"), при этом совмещение достигало 60-80%.
Принципы метода следующие:
• Высоты местности тесно связаны с силой тяжести, наибольшие градиенты геопотенциалов наблюдаются на границах между тектонически поднимающимися и опускающимися участками земной коры. К этим границам приурочен наибольший размыв суши агентами денудации;
• плотностные структуры В.П. Философов относит к разновидности тектонических структур (то, что в материале Гончарова Е.В., Иванникова И.Д. названо "природные концентраторы напряжений, размывание, выклиниваниями "жестких" слоев и пластов пород, образующих псевдозоны повышенного горного давления), максимум которых возникает на крыльях и пе-реклиналях структур. Чем больше плотность, а, как правило, и "жесткость" горных пород, тем больше градиенты между изобазитами и тем четче окон-туриваются поднятия, в том
числе и погребенные (изобазиты в данном случае - линии равных высот продольных профилей ложбин стока);
• даже самый тщательный мор-
фометрический анализ не может обеспечить абсолютную точ-
ность представлений о тектоническом строении массива.
Для обеспечения максимальной эффективности необходимо ставить "эталонные" работы, то есть строить морфометрические карты по максимально широкой программе на хорошо разбуренных, геологически и геофизически изу-
ченных областях.
Несмотря на несколько иную постановку задачи, для решения которой не
предполагалось выявлять тектонические структуры, а предполагалось прогнозировать области "перегиба", растяжения и связанной с ним повышенной трещиноватости, в районе вначале были проведены эталонные исследования. Они должны были подтвердить методическую правильность и эффективность метода при обнаружении скрытых структур, контуров, разных по свойствам и плотностям зон. Для этого первые построения были проведены по плану поверхности 1 :
500000. Его сравнение с известным планом показало хорошее контурное совпадение основных тектонических структур Тентекской мульды, Тентекского взброса, Чурубай-Нуринского взброса и мульды.
Для поиска тектонических структур и выявления вертикальных движений блоков в пределах поля шахты им. В.И.Ленина, как уже говорилось, был использован один из вариантов метода структурной морфометрии - метод го-ниобазит, разработанный В.П. Филосо-фовым и Ю.В.Черняевым в 1963 г.
Поскольку лучшие результаты получаются при анализе конфигурации базисных поверхностей, то для шахтного поля были построены карты гониобазит второго и третьего порядка для масштаба 1 : 5000 с сечением горизонталей через 1 м. Все построения проводились согласно методике, предложенной В.П. Фило-софовым и Ю.В.Черняевым.
При этом построения выполнялись с учетом ложбин стока, которые, как известно, являются долинами 1-го порядка для обширных плоских водоразделов с затрудненным поверхностным и подземным стоком, к каким относится рассматриваемый участок. Шахта расположена в районе с затрудненным поверхностным и подземным стоком.
При анализе конфигурации гонио-базисных поверхностей отдельные детали геологического строения и разрывные нарушения дешифрируются достаточно отчетливо. На представленной схеме ука-
заны возможные разрывные нарушения и границы тектонических блоков. При этом под границей блока в данном случае понимается граница между поднятиями и разделяющими их впадинами или прогибами.
Рассматриваемая местность расположена на склоне впадины или прогиба, что следует из величины заложения изо-базит, и относится к прямому типу рельефа. Но можно предположить, что на склоне могут быть незначительные по размерам локальные поднятия или участки "переходного" рельефа, отражающие "несогласное" с общим склоном залегание пород на глубине, а, следовательно, в этих зонах возможно возникновение дополнительных напряжений даже при отсутствии ведения горных работ. Из-за повышенных напряжений на этих участках возможно проявление газодинамических процессов. Эти опасные зоны выявляются по картам гониобазит. Причем по картам разных порядков можно проследить как смещаются границы этих зон в зависимости от глубины.
На большей части территории расстояния между гониобазитами плавно уменьшаются, но вдоль горизонтали с отметкой 500 м происходит резкое смещение рисунка гониобазит. Характерный рисунок гониобазит дает возможность предполагать в этом случае наличие на-двиговых или взбросовых деформаций (рис. 2).
Авторы отдают себе отчет, что оценивать такие явления, как поступление метана в дегазационные скважины или газодинамические явления невозможно без учета технологических и технических средств, способов проходки, обустройства и пуска в эксплуатацию дегазационных скважин, выработок, противовыбросных мероприятий.
Вместе с тем генеральные тенденции активизации явлений, связанных с трещиноватостью и увеличением активной пористости в переходных зонах, выделенных по данным морфоструктур-
ного анализа, подтверждаются значительным числом явлений.
Прежде всего, на план масштаба 1:5000 были перенесены известные тектонические нарушения, подсеченные выработками или скважинами.
Рис. 2. Совмещенная схема расположения зон переходного рельефа и горногеологическая ситуация
Разрывные нарушения в данном районе приурочены к переходным зонам за небольшим исключением, относящимся в основном к пласту сію. При этом, даже в тех случаях, когда протяженное разрывное нарушение проходит не над областью "перегиба" (переходного рельефа), его края, начало и окончание обычно приурочено к таким зонам. Наиболее это характерно для нарушений, в районе которых была пробурена скважина для последующего гидрорасчленения 14. Эта область является своеобразным узлом, в котором могли находиться и крупноамплитудные нарушения, наличие
которых могло сформировать газоносный коллектор с хорошей газоотда-чей. Скважина 14' продемонстрировала высокие показатели за небольшой период освоения, и дебит из нее составлял не менее 3 м3/мин. Однако, она оказалась подработанной и вышла из строя, не прослужив и года. Очень важной является тенденция приуроченности газодинамических явлений к областям, примыкающим к границам "переходных" зон, хотя понятно, что здесь необходим анализ и технических средств проходки, о чем говорилось выше.
Сравнение данных по работе, освоению и мероприятиям интенсификации по скважинам гидрорасчленения показало, что несмотря на различные технические условия, наиболее активными оказывались скважины, находившиеся в "переходных" зонах, либо у их границ. То есть скважины, прежде всего, 6, а затем 5 и 12. Данных по 14, 13 нет, видимо из-за того, что они недолго проработали и оказались срезанными под влиянием горных работ. При этом, кроме абсолютных объемов извлечения обращает внимание и более легкое и эффективное проведение способов интенсификации. Авторы про-
анализировали и опыт предварительной искусственной дегазации из горных выработок.
Анализ объемов добычи и направления бурения скважин также демонстрирует тенденцию большей эффективности скважин, направленных к границам переходных зон, при всей условности их проектирования на глубину залегания пл. ёб.
Данные по выработкам лавы 26-с1б-1 В, 24-с1б-Щ, 23-с1б-Щ, при всех технических различиях оборудования и проведения дегазационных мероприятий подтверждают эту тенденцию, хотя и не так явно.
Проведенное сопоставительное исследование демонстрирует эффективность применения методов морфоструктурного анализа при выделении зон с наибольшей вероятностью расположения трещинных метановых коллекторов. Исследование, при дальнейшем развитии, позволит создать оперативный метод прогноза участков пластов, наиболее склонных к газодинамическим проявлениям и наиболее пригодных к промышленному извлечению метана.
© Е.В. Гончаров, Н.В.Гусева, Н.Д.Иванников
