Введение к работе
Актуальность работы: Угольный метан - фактор опасности при ведении горных работ на угольных шахтах, является и дополнительным источником энергетических ресурсов. Решение вопросов генерации, выделения и накопления метана связано с изучением форм его нахождения в углях и вмещающих породах, с исследованием геологических условий формирования и распространения метана в угленосных отложениях. Изучение закономерностей распределения и форм локализации метана в углях (свободной, сорбированной, кластерной) необходимо для прогнозной оценки метаноносности угольных пластов и разработки способов их дегазации как шахтным, так и газопромысловым способами. Оценка параметров надмолекулярной структуры углей и их сорбционной способности необходимы для расчетов метановыделения при угледобыче и для прогноза газодинамических явлений в угольных пластах. Аналитика надмолекулярного уровня имеет большой потенциал в изучении процессов углеобразования и связанной с ними метаногенерации. Закономерности распределения и формы локализации метана в углях, параметры их надмолекулярной структуры и сорбционной способности являются актуальными вопросами современной угольной геологии, теоретической базой для подготовки промышленных решений в сфере комплексного, безопасного и рационального освоения газоугольных месторождений.
Цель работы: Разработка новых методических подходов к анализу процессов метаногенерации и форм локализации угольного метана в углях на основе исследования поровой структуры витрини-та с использованием растровой электронной микроскопии, для прогноза и оценки газового потенциала угольных пластов.
Основные задачи исследования: 1. Изучение структуры перового пространства и особенностей строения надмолекулярных агрегатов углей методом растровой электронной микроскопии.
Выявление корреляционных связей между структурами по-рового пространства и метаноемкостыо углей.
Анализ взаимосвязи между параметрами надмолекулярной структуры углей и степенью их метаноносности, с количественной оценкой процессов метаногенерации.
Разработка рекомендаций по прогнозной оценке метанонос-
ности угольных пластов при их разработке на глубоких шахтных горизонтах.
Фактический материал и личный вклад автора: Геологической базой для исследования надмолекулярной структуры и сорб-ционной способности клареновых углей среднего карбона в связи с их метаноносностью был выбран Юго-Западный Донбасс. Первичным материалом для работы стал накопленный в Санкт-Петербургском горном институте фонд данных опробования по 38 угольным пластам в 180 шахтах и в глубоких скважинах на 50 разведочных участках. Использованы также фондовые материалы о данных опробования угольных пластов, замерах выделения метана на шахтах Юго-Западного Донбасса и при разведке отдельных участков. Изучались как отдельные пластопересечения, так и информация в масштабе шахтных полей; 5 полигонов были выбраны для проверки получаемых результатов и мониторинга данных по газовыделениям и изменчивости характеристических параметров. Были выбраны типичные для региона поля шахт «Заперевальная», им. А.А.Скочинского, «Горская», «Запорожская», где шахтными геологами проводились длительные (до 1 года) наблюдения с систематическим опробованием забоев по мере их продвижения. Для возможно полной оценки влияния геологических факторов точки пробоот-бора выбирались целенаправленно. Подбирались пробы углей всех стадий метаморфизма: от слабо метаморфизованных до антрацитов начальных стадий. Центральная часть Кальмиус-Торецкой синклинали дополнительно охарактеризована по данным глубокого опорного бурения - использованы материалы по 3 скважинам глубиной до 3 км.
Автором работы проведено изучение углей из составленной выборки методами растровой электронной микроскопии и лабораторного метанонасыщения, разработана методика интерпретации полученных данных, предложены модели формирования полостного пространства в структуре витринита. В целом, в работе применен системный подход с комплексным использованием результатов, полученных различными методами исследования. Основные выводы и заключения базируются на теории метастабильной метаногенерации в процессе углеобразования с послойно-объемным заполнением пор. Составлена схема распространения угольных залежей с различным
потенциалом газогенерации на площади Юго-Западного Донбасса.
Исследования, ставшие основой диссертационной работы, выполнены при поддержке Фонда фундаментальных исследований и Программы «Университеты России» Министерства образования и науки РФ.
Основные методы исследований: При выполнении работы использовались два метода изучения надмолекулярной структуры и сорбционной способности метаноносных углей: растровая электронная микроскопия и определение параметров метанонасыщения. Надмолекулярные структуры и поровое пространство витринита в углях всех стадий метаморфизма (от ІД до 9-10А) изучались автором с использованием более 1000 снимков растровой электронной микроскопии (РЭМ) для 200 проб, ориентированных по напластованию. Характеристика структур витринитового вещества составлена на основе компьютерной обработки этих снимков с применением специализированного программного пакета VideoTest. Параллельно анализировались параметры метанонасыщения для выборки из 400 угольных проб. Испытания метаноемкости углей выполнялись в лаборатории ПО «Укруглегеология» г. Донецка. Для проверки полученных результатов автором использовались данные рентгенострук-турного анализа метаноносных углей всех стадий метаморфизма, полученные при исследованиях, проведенных в Санкт-Петербургском горном институте (В.В.Кирюков, Ш.Чакроборти) и ИПКОН РАН (А.Т.Айруни, И.В.Зверев, М.О.Долгова и др.)
Научная новизна: 1. Установлены закономерные изменения морфологических особенностей и полостного объема порового пространства углей в зависимости от степени их метаморфизма и геодинамических факторов.
2. Выявлено закономерное изменение типов микрозалежей угольного метана в зависимости от особенностей надмолекулярной структуры углей.
Практическая значимость: 1. Установлены закономерности распределения метана в угольных пластах, позволяющие прогнозировать локализацию газовых микрозалежей в пределах шахтных полей.
2. Предложены методы оценки вероятной метаноносности углей по данным растровой электронной микроскопии и
лабораторного метанонасыщения.
Достоверность защищаемых положений, выводов и рекомендаций обеспечивается большим объемом фактического материала по исследованию витринита с использованием как лабораторных методов (РЭМ и др.), так и геологоразведочных данных. Результаты исследования газоносности углей, полученные на пробах, отражающих все стадии их метаморфизма, хорошо согласуются с результатами исследований, ранее проведенных по этой тематике.
Апробация работы и публикации: Материалы диссертационной работы на отдельных этапах её выполнения докладывались на ежегодных научных конференциях молодых ученых Санкт-Петербургского горного института «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2003, 2005, 2008 гг.); на 11-ом Всероссийском угольном совещании (Ростов на Дону, октябрь 2006 г.); на Международных научно-практических конференциях «Метан угольных месторождений Украины» в институте геотехнической механики НАН Украины (г. Днепропетровск, октябрь 2006, 2008 гг.).
По материалам диссертации опубликовано 10 статей, в т. ч. 3 -в издании, входящем в перечень ВАК Минобрнауки России).
Структура и объем работы: Диссертационная работа включает 211 машинописных страниц, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 154 наименований, содержит 41 рисунок, 12 таблиц, 7 приложений.
