Содержание к диссертации
Введение
1. Краткий обзор и анализ состояния проблемы угольного метана. Постановка задачи и выбор направления исследовании . 6
2. Методика полевых работ и экспериментальных исследований флюидоактивных зон угольных месторождений В. Донбасса 14
2.1. Геолого-геофизические исследования 16
2.2. Минералого-петрографические исследования 21
2.3. Геохимические методы исследований 22
2.4. Специальные физические и химические методы исследований 24
2.5. Термобарогеохимические методы исследований 25
2.6. Методика геодинамического моделирования и геотехнологического картирования углегазового месторождения 27
2.7. Методика оценки ресурсов метана в метанообильных зонах газоугольных месторождениях 29
3. Закономерности формирования и локализации метанообильных зон в уптепородных массивах 35
3.1. Геотектоническая позиция и флюидный режим формирования угольных месторождений Восточного Донбасса 35
3.2. Геолого-структурные особенности флюидоактивных зон 49
3.3. Минералого-петрографическая характеристика вмещающих пород и углей в зонах флюидизации . 57
3.4. Геохимические особенности углей в метанообильных зонах 72
3.6. Термобарогеохимические условия формирования зон флюидизации
3.6. Формы локализации метана в углях и вмещающих породах 102
3.7. Генетические типы фшоидоактивных зон 126
4. Теоретическое и экспериментальное моделирование процессов углеводородородной флюидизации и деструкции систем «уголь-газ» 138
4.1 Теоретическое моделирование термодинамического состояния и развития неустойчивости в системе «уголь-газ» 138
4.2. Определения энергетических параметров деструкции систем «уголь-газ» по результатам термодинамического анализа и результатам вакуумной декриптометрии 155
4.3.Результаты автоклавного моделирования фазовых взаимодействий в с шлемах, «ушль-іаз» при. іврмобароірадиеніньїх параметрах 163
4.4. Результаты дегазации систем «уголь-газ» при акустическом, вйбрационно-волноБОМ и электрическом воздействии 167
4.5. Термодинамическая модель углеводородной флюидизации и развития неустойчивости системы «уголь-газ» 181
5. Геотехнологические методы оценки способности угольных пластов к газоотдаче 198
5.1. Геолого — структурные факторы и критерии 198
5.2. Физико - механические свойства угля и вмещающих пород 207
5.3. Газокинетические факторы 212
5.4. Прогнозирование газоотдающей способности угольных пластов 228
5.5. Принципиальная схема определения газоотдающей способности углей по комплексу признаков и критериев 239
6. Оценка перспектив освоения угольного метана на месторождениях Восточного Донбасса скважинными технологиями ... 242
6.1. Зоны флюидизации в углепородньгх массивах как потешргалъные источники углеводородных газов 242
6.2 Геологочлруктурные и геотехнологические особенности Краснодонецкого метаноуголъного месторождения 251
6.3. Технологические регламенты и оборудование для проведения испытаний методов интенсификации газоотдачи угольных пластов иуглевмещающихпород 266
6.4. Результаты геотехнологических исследований и натурных исиьтгании на тестовых скважинах.
6.5.Геологонэкономический прогноз развития работ по утилизации угольного метана на месторождениях Восточного Донбасса 318
Заключение 326
- Минералого-петрографические исследования
- Минералого-петрографическая характеристика вмещающих пород и углей в зонах флюидизации
- Определения энергетических параметров деструкции систем «уголь-газ» по результатам термодинамического анализа и результатам вакуумной декриптометрии
- Газокинетические факторы
Введение к работе
В последней четверти XX века возникло новое направление в системе наук о Земле, связанное с изучением флюидодинамических систем и выявлением их роли в формировании осадочно-метаморфогенных, рудных и нефтегазоносных минерагенических провинций. На базе региональных геодинамических реконструкций и результатов исследований природных систем «порода-флюид», в том числе флюидных включений в минералах, впервые появилась возможность создать адекватные генетические модели образования рудных и нерудных, нефтяных и газовых месторождений, объединить в единой флюидо-динамической концепции основные закономерности рудогенеза и нефте-газообразования.
Вместе с тем из сферы интересов исследователей, занимающихся этой проблемой, выпало важнейшее звено, относящееся к флюидогенному преобразованию ископаемых углей и других твердых горючих ископаемых.
Современные представления о генезисе ископаемых углей базируются на концепции стадиального преобразования торфа при диагенезе и метаморфизме, под воздействием физико-химических процессов и времени. Учением о каустобиолитах практически не используются идеи метасоматоза и флюидизации, которые играют большую роль в петрогенезе и рудообразоваии [1-3].
Не вызывает сомнения, что важнейшим фактором структурно-вещественного преобразования углей и углевмещающих толщ, помимо давления и температуры, следует считать глубинную дегазацию недр, поставляющую потоки восстановленных и в разной степени окисленных флюидов по зонам проницаемости в угленосные бассейны. Эндогенное науглероживание пород в таких зонах и флюидогенная модификация углей проявляются как фундаментальная закономерность петрогенезиса угольных бассейнов авлакогенного типа. Естественно, что с этими процессами следует связывать не только особенности петрологии и металлогении угленосных бассейнов, но и закономерности формирования углегазовых месторождений как возможных альтернативных источников углеводородных газов, а также разнообразные случаи возникновения в угольных шахтах опасных газодинамических явлений, среди которых наиболее сложными и недостаточно изученными являются внезапные выбросы угля, пород и газа.
Таким образом, исследование процессов углеводородной флюидизации ископаемых углей представляет большой теоретический и практический интерес. В этой связи автором в течение последних 10 лет при выполнении ряда проектов по НТП «Недра России», «Интеграция», «Топливо и энергетика» были проведены комплексные геолого- структурные, минералого-петрографические, термобарогеохимические и экспериментальные исследования флюидоактивных зон в угольных пластах и углевмещающих породах Донбасса, осуществлено геотехнологическое прогнозирование флюидизированных зон, наиболее перспективных для заблаговременного извлечения угольного метана с целью его последующей утилизации и в качестве превентивной меры предотвращения опасных газодинамических явлений. Результаты этих исследований обобщены в настоящей работе
В представленной диссертации рассмотрено преломление концепций метасоматоза для угольных месторождений, при развитии процессов углеводородной флюидизации и возникновения аномальных скоплений угольного метана (метанообильных зон), представляющих собой наиболее интересные, первоочередные в практическом плане, объекты.
Главной цельюработы является: Установление закономерностей формирования и геотехнологических особенностей метанообильных зон метаноугольных месторождений Восточного Донбасса и оценка перспектив освоения локализованного в них угольного метана как нетрадиционного вида углеводородного сырья.
Для достижения отмеченной цели решались следующие задачи:
•проведение комплексных геолого-структурных, минералого-петрографических и термобарогеохимических исследований угольных пластов в зонах тектонических нарушений и предполагаемых участках их флюидогенной переработки;
•разработка и реализация методики теоретического и экспериментального моделирования фазовых взаимодействий в системах «уголь-флюид», включающей термодинамический анализ состояния этих систем и автоклавные исследования процессов взаимодействия углеводородно-водных флюидов с углями при повышенных РТ-параметрах;
•установление оптимальных (критических) термодинамических параметров флюи-догенной активизации углей, обуславливающих появление в них выбросоопасных свойств и других газодинамических характеристик;
• разработка генетической классификации зон флюидизации в угольных массивах, наиболее благоприятных для добычи угольного метана;
•определение места и роли процессов углеводородной флюидизации углей в общей схеме формирования угольных месторождений, в их металлогенической специализации и природной газоносности.
•Разработка регламента и оборудования для проведения натурных испытаний методов интенсификации газоотдачи угольных пластов и углевмещающих пород на реперных объектах метаноугольных месторождений Донбасса.
•Оценка перспектив освоения угольного метана В. Донбасса как нетрадиционного вида углеводородного сырья на основе результатов натурных испытаний вариантов скважинной технологии извлечения углеводородных газов из природных зон флюидизации на Краснодонецком метаноугольном месторождении
Классическим полигоном для проведения отмеченных исследований является Донецкий угольный бассейн, где широко развиты ископаемые угли различных степеней метаморфизации, подверженные региональным и локальным процессам углеводородной флюидизации в зонах тектонических нарушений и участках проявления магматической и гидротермальной деятельности. Основной объем фактического полевого и каменного материала был получен на угольных месторождениях Восточного Донбасса, что не ограничивает распространение выявленных закономерностей на другие угольные регионы с учетом специфики последних.
В полевых условиях было изучено более 50 пластопересечений в шахтах Ждановская № 5, Краснодонецкая, № 17, Центральная, Штеровская и других, относящихся к ОАО «Ростовоуголь», «Донецкуголь», «Октябрьуголь». Выборочно исследовались угольные пласты ряда месторождений Украинского Донбасса.
Пробы углей и вмещающих пород изучались современными углепетрографически-ми, физическими и физико-химическими методами (оптическая и электронная микроскопия, вакуумная декриптометрия, рентгенометрия, ИК-спектроскопия, ЭПР и ЯМР- методы, термический и спектральный анализы и др.) в лабораториях Геотехцентра-Юг, геолого-географического, физического и химического факультетов Ростовского государственного университета, НИИ физики и НИИФОХ РГУ, в Новочеркасском инженерно-мелиоративном институте, во ВНИГРИуголь. Впервые выполнен большой объем экспериментальных работ с применением специально сконструированного и изготовленного оборудования - вакуумных декриптометров ВД-5 и ВД-6, автоклавной установки БАР-1, электромагнитных индикаторов поляризации веществ типа ЭВД-ЭДИП и др.
Основными итогами проведенных исследований являются следующие результаты : 1.Анализ и обобщение опубликованных, фондовых и собственных экспериментальных данных о процессах углеводородной флюидизации ископаемых углей и закономерностях формирования метанообильных зон в угленосных бассейнах автоклавного типа;
2. Генетическая типизация флюидоактивных зон в угольных пластах, разработка термобарогеохимических моделей их формирования на этапах прогрессивного и регрессивного метаморфизма угольных бассейнов;
3. Создание трехуровневой системы обнаружения, диагностики и геотехнологического картирования метанообильных зон в углепородных массивах на основе комплексных геолого-структурных, геофизических и термобарогеохимических методов исследований, оценка прогнозных ресурсов и перспектив извлечения углеводородных газов, локализованных в зонах флюидизации.
4. Установление природы, масштабов развития и роли процессов углеводородной флюидизации в минерагенической специализации угольных месторождений;
5. Разработка геотехнологической модели Краснодонецкого метаноугольного месторождения Восточного Донбасса как типового объекта для проведения НИОКР, выделение наиболее перспективных участков для извлечения угольного метана и их подтверждения в натурных экспериментах в результате проходки опытных дегазационных скважин.
Работа выполнена на кафедре месторождений полезных ископаемых, автор с признательностью отмечает внимание и практическую помощь в подготовке диссертации сотрудников кафедры. Основу работы составляют многолетние полевые и лабораторные исследования выполненные совместно с доцентом В.Г. Рыловым, ст. научн. сотр. Н.И. Славгородским, профессором Н.Е.Фоменко, доцентом А.В. Труфановым, натурные скважинные испытания были бы не возможны без технической поддержки гл. геолога Несветаевской ГРЭ В.А. Хорошавина и начальника экспедиции А.И. Савенко, которым автор выражает искреннюю признательность. Автор благодарен профессору. В.В. Гурьянову и профессору А.А.Тимофееву за большую помощь в координации исследований и поддержку в работе. Глубокую благодарность автор выражает профессору В.Н. Труфанову за критику, ценные научные консультации и постоянное внимание.
Минералого-петрографические исследования
Изучение прозрачных шлифов, пластинок и полированных аншлифов проводились с применением поляризационных микроскопов МИН - 8, 9 и ПОЛАМ - Л - 213. Для исследования минералогического состава пород изготовлялись искусственные шлихипротолочки, которые в дальнейшем изучались при помощи бинокулярного микроскопа МБС-10. В качестве индикаторных морфогенетических признаков процессов флюидизации фиксировались следующие параметры: формы выделения новообразованных минералов и характер их контакта с другими минералами, текстура поверхности их границ, размеры, рельеф, отражательная способность и цвет зерен (в воздушной среде и в масляной иммерсии), двупреломление, эффекты анизотропии при скрещенных николях и др. Объекты исследовались при рабочих увеличениях от 20 до 900 крат с последующей их компьютерной визуализацией. Весьма эффективным является метод получения изображения исследуемого образца непосредственно на мониторе компьютера. Данный метод был разработан нами для упрощения и удешевления процесса фиксации графических результатов наблюдений без применения специального дорогостоящего оборудования [64]. .3. Геохимические методы исследований Исследования геохимических особенностей углей из метанообильных зон в пределах восточного Донбасса базировались на следующих методологических предпосылках. процессы миграции и концентрации углеводородных газов в угленосных осадочных толщах начинаются с момента их захоронения, продолжаются на всех стадиях литификации, а также при начальном метаморфизме, динамометаморфизме, эндогенном (тепловом) воздействии за счет магматических интрузий и циркуляции по ослабленным зонам гидротермальных растворов, при этом зоны трассирования газов и их аномальные скопления должны сопровождаться специфическими геохимическими ореолами.катагенетические и метаморфические процессы сопряжены с изменением сорбционной способности углей и углеродистых сланцев, интенсивной дегидратацией глинистых пород и самих углей, а также сопровождаются генерацией углеводородных газов, фильтрация и диффузия углеводородов из материнских толщ происходит по дренажным ослабленным зонам, а их накопление в породах-коллекторах и структурных ловушках, это, несомненно, способствует перераспределению седиментогенних элементов-примесей в углях. На постинверсионном, орогенном этапе эволюции угленосных бассейнов в локальных участках, помимо дополнительной дегазации углей, возможен и обратный процесс - насыщения углей привнесенными глубинными газами, если эти угли обладали изначально пористой структурой или приобрели её в результате термодеструкции. Эпигенетическая флюидизация углей и вмещающих пород в проницаемых зонах должна сопровождаться их метасоматозом и аномальным распределением химических компонентов. Если фациальная обстановка накопления торфяников, из которых формируются потенциально метанообильные угли, отличается специфическими чертами, то также отличны должны быть геохимические индикаторы этой обстановки, что необходимо учитывать при оценке аномальных концентраций и взаимосвязей элементов-примесей в углях.
Геохимические исследования проводились на типовых объектах, характеризующих угли из флюидоинертных и флюидоактивных участков угольных пластов Восточного Донбасса. Метанообильные зоны изучались на примере пласта ms1 шахты Краснодонецкой и инегорской № 17 Белокалитвенского района Восточного Донбасса, а также пласта пцв шахты Штеровской, представленного каменным углем марки ТА, и пласта тз шахты Ждановская №5, сложенного углем марки Т. Всего было изучено более 50 пластопересечений в горных выработках и скважинах, выполнено 146 количественных и 220 полуколичественных спектральных анализов. Эталонная коллекция, характеризующая региональные геохимические кларки, составлялась из 44 представительных проб углей свит Сг4-С27 (группы метаморфизма ТА), отобранных из ненарушенных угольных пластов различных угольных шахт Ростовской области. В целом база геохимических данных составила 8860 элементоопределений.
При отборе проб учитывались палеогеоморфологические признаки пластов и, прежде всего, низинная и верховая обстановки торфонакопления, а также геолого-структурные особенности флюидоактивных зон в угольных пластах. Эталонные пробы анализировались инструментальным нейтронно-активационным методом (определения Ва, Mn, Zn, Си, Ni, Fe, Si, Al, Ca) и количественным спектральным анализом (Fe, Ті, Mn, Cu, Ni, V, Mo, Pb, Sn, Co, Cr, Ga, Ge, Be). Массовые определения производились полуколичественным спектральным анализом на 33 элемента. Кроме того, формы нахождения Fe и S в отдельных пробах изучались соответственно методом мессбауэровской спектроскопии и рентгеноструктурным анализом. Результаты геохимических исследований сопоставлялись с технологическими, петрографическими, термобарогеохимическими, физическими и другими характеристиками углей и обрабатывались математическими методами с применением программы "Statistica". Анализы осуществлялись в НИИ Физики РГУ, в Центральной лаборатории ЮГУГП «Южгеология» и в ФАЛ геолого-географического факультета РГУ. Специальные физические и химические методы исследований При минералогических и углепетрографических исследованиях применялся комплекс специальных электрофизических, химических и технических методов, включающий термический, рентгено-фазовый, месс-бауэровский, ИК- спектроскопический, ЭПР-спектрометрический , электрополяризационный и другие виды анализов флюидизированных пород и углей. Различные по степени измененности угли и пелитовая фракция вмещающих пород изучались термическим методом на дериватографе PAULIK — 112. Условия выполнения анализов: воздушная атмосфера, открытый платиновый тигель, термовесовая шкала (ТГ) -1000 мг, скорость нагрева (20/мин) устанавливалась равномерной до 1000С, величина навески - 50 - 100 мг. Проведение анализов и интерпретация дериватограмм проводились по стандартной методике [72].
Особенности минерального состава пород, для которых использование оптических методов и ДТА оказывалось недостаточным, устанавливались методом рентгенофазового анализа (РФА) с количественной и качественной оценкой содержаний всех минеральных компонентов. Для определения количественного соотношения между преобладающими элементами-примесями применен рентгеновский спектральный анализ по методике [66]. Методы мессбауэровской спектроскопии. ЯРГ-спектроскопия основывается на эффекте резонансного поглощения (или рассеяния) гамма-квантов определенной энергии ядрами атомов вещества мишени без потерь на отдачу (эффект Мессбауэра). К числу мессбауэросвих изотопов, т.е. ядер, у которых наблюдается ядерный гамма-резонанс, относятся ядра железа Fe57, широко распространенные в природе. Уникальность эффекта состоит в необычно малой ширине резонанса по отношению к энергии гамма-кванта (для железа ГУЕ=10"12), что обуславливает высокую чувствительность мессбауэровской спектроскопии и позволяет на ядерном уровне изучать как свойства самих атомов и их ядер, так и структур, состояние и многие физические свойства химсоединений, минералов и прочих веществ, содержащих мессбауэровские изотопы [71]. В настоящей работе использовалась трансмиссионная геометрия измерений. Органическая масса угля (ОМУ) содержит в основном легкие фракции, которые сами по себе практически прозрачны для резонансных у-квантов с энергией 14,4 КэВ, что позволяет использовать в экспериментах образцы в виде порошков, таблеток или сколов толщиной в несколько миллиметров. В таких экспериментах измеренные ЯРГ-спектры содержат интегральную информацию обо всей массе образца.
Минералого-петрографическая характеристика вмещающих пород и углей в зонах флюидизации
Каменноугольные угленосные отложения в Донбассе представлены мощной (более 5000 м) довольно однообразной толщей часто чередующихся между собой песчаников, алевролитов и аргиллитов, среди которых в виде сравнительно маломощных пластов и прослоев залегают известняки и угли. Вся толща дисгармонически - неравномерно смята в складки и во многих местах разорвана дизъюнктивными нарушениями, преимущественно сдвиговой и взбросо - надвиговой природы. Мощность продуктивной ее части, к которой приурочены в основном рабочие пласты, составляет от 1500 м до- 3000 м. Пласты самого угля имеют мощность от 0,5 до 1,5 м, редко более. Считается, что циклы угленакопления в пределах одной и той же продуктивной площади размером 300 км на 150 км повторялись до 150-200 раз. Пластов рабочей мощности насчитывается 30- 40. С запада на восток увеличивается мощность всей углевмещающей толщи при уменьшении в том же направлении общей мощности пластов угля. На долю глинистых пород приходится от 40 до 80 % всей мощности угленосной толщи. Пласты песчаников распространены практически на всей площади бассейна,, их мощность достигает 10 м. Особенно велико количество песчаных пород в центральной и западной частях Донбасса. В пределах "открытого Донбасса" песчаники и известняки образуют "гривки", по которым вырисовываются в рельефе дислокационные структуры.
Парадоксальной особенностью угленосной толщи Донбасса является низкий уровень ее метаморфизма при значительной дислоцированности, обилии дизъюнктивных нарушений сдвигового и взбросо - надвигового типов и достаточно высоких температурах (свыше 300- 400 С) минералообразования. В присводовых наиболее нарушенных частях антиклинальных складок песчано-глинистые сланцы подвергаются лишь серицит -гидрослюдистым преобразованиям, окварцеванию, каолинизации и пиритизации. Эта особенность Донбасса, не получившая пока никакого объяснения в литературе, скорее всего связана с резко восстановительными условиями катагенетического и динамометаморфического преобразования пород в толще очень большой мощности. Хорошо известно,что высокоуглеродистые песчано-глинистые породы сохраняются слабо -метаморфизованными даже в архейских и протерозойских комплексах [8]. При изменениях углеродистых пород получают широкое развитие специфические, пока мало изученные формы метаморфизма, в частности процессы рассеянного сульфидно-углеродистого метасоматоза, щелочно-кремневого их замещения.
Долгое время считалось, что вторичные изменения углевмещающих пород в Донбассе вообще отсутствуют. Существенный прогресс в этом вопросе связан с работами Н.ВЛогвиненко [77], который показал определенные изменения минерального состава вмещающих пород при последовательной смене марок угля. В районах развития длинно-пламенных и газовых углей процессы гидрослюидизации глин, каолинизации и карбонатизации цемента алевро-песчаных пород он отнес к "нормальному эпигенезу"; преобразование пород близ спекающихся углей, выразившееся в повышении роли гидрослюд в глинах, появлении вторичного серицита и неразмокающих глин - к "прогрессивному эпигенезу"; изменение пород, вмещающих тощие угли и антрациты, связанные с появлением тонко плитчатых и сланцеватых текстур в глинах и сливных кварцитовидных песчаниках , а также с развитием в породах вторичных слюд, кварца, турмалина, окислов и гидроокислов титана - к «начальному метаморфизму». Эта работа положила начало пристальному изучению вторичных изменений вмещающих угли пород в связи с устоявшимися представлениями о стадиях метаморфизма углей. Во многих последующих работах по угольным бассейнам также были рассмотрены различные признаки вторичного изменения пород. При этом подчеркнем, что некоторые исследователи [12,75,76] выявили признаки явно метасоматических процессов, протекавшие с привносом глубинными флюидами определенных элементов - углерода, титана, серы, калия и др. Анализ полученных ранее данных по изменениям угленосных пород с учетом результатов полученных нами пётроструктурных исследований углеродистых осадочно-метаморфических комплексов, а также относительно локальных зон флюидизации позволяет обосновать следующую модель процессов флюидогенного преобразования угленосной толщи Донбасса. /. Диа-эпи-катагенез и начальный динамометаморфизм Эти начальные ступени изменения пород проявлены в толщах, вмещающих угли от бурых до длиннопламенных включительно. Они в целом характеризуются слабыми дислокационными (структурными) и вещественными изменениями пород. Последние часто сохраняют первичную грубую слоистость, бурую и светло-серую окраску и микроструктуру катагенетически уплотненных осадков. Глинистые породы, иногда с отпечатками растений, состоят из смеси глинистых минералов и мелких плохо оформленных зерен кварца и карбоната. Микроструктуры их - спутанно-волокнистые и оптически слабоориентированные. В той или иной мере в глинах содержится рассеянный осадочный карбонатный материал, местами обособляющийся в виде микрокристалликов. Глинистое вещество представлено главным образом монтмориллонитом. Гидрослюидизация глин практически всегда сопряжена с проявлениями начальных слабых пластических деформаций в зонах консидемантационных тектонических нарушений, что выражается в образовании оптически ориентированных агрегатов смешаннослойных глинистых минералов. В таких оптически ориентированных агрегатах глин проявляются скопления мелких зерен пирита, комочки и неправильные агрегаты сидерита и черные "углистые микровключения", ориентированные по зарождающейся сланцеватости.
Все эти минеральные образования являются автометасоматическими, связанными с начальными инфильтрационными и элизионными преобразованиями глинистого субстрата в восстановительных условиях. Помимо серы существенного привноса вещества при образовании этих минералов, вероятно не было. Преобладали явления местного переотложения щелочей, щелочно-земельных металлов и углерода с переходом последнего из гумидных форм в восстановленную. С этим связано начало возникновения первых черных высокоуглеродистых дисперсных частиц. Глины приобретают темно-серую окраску и плитчатость. В участках повышенной проницаемости пород, в той или иной мере затронутых углеродистым метасоматозом, наблюдаются и более поздние процессы щелочно-кремневой флюидизации. Они выражаются в рассеянном порфиробластическом окварцевании и серицитизации глинистых пород (вторичный серицит составляет 6-10 %). Глинистое вещество при этом в значительной мере преобразуется в каолинит.
В полимиктовых песчаниках с глинистым или карбонатно-глинистым цементом при этой ступени изменения пород хорошо сохраняются очертания обломков. Цемент же более податлив: он преобразуется в землисто- буроватый глинисто-гидрослюдистый низкодвупреломляющий агрегат, содержащий иногда рассеянную примесь карбоната. В цементе песчаников, находящихся в тектонически нарушенных зонах, отчетливо проявлен рассеянный слюдисто-альбит-кварцевый порфиробластез. В участках с повышенным количеством (до 10-15%) свежих кварцевых и альбитовых зерен нарушается нормальная псаммитовая структура, т.к. появляются их конформные сростки и агрегаты. Для порфиробласт вновь образованного свежего кварца также характерны мелкие иголочки рутила, сфена, апатита и округлые газово-жидкие включения. Это - совершенно типичные спутники метасоматических микровыделений кварца. Известняки в эту ступень преобразований еще сохраняют пелитоморфное или микрозернистое сложение. Органические остатки в них имеют хорошую сохранность и не затронуты перекристаллизацией, хотя частично окремняются. II. Аспидная ступень эпигенеза и динамометаморфизма. Эта стадия преобразования угленосных отложений присуща породам, вмещающим жирные, коксовые и тощие угли. Для всех пород этой ступени характерно повышенное рассланцевание и интенсивный сульфидноуглеродистый метасоматоз, приводящий к сильному потемнению (до черного цвета) и упрочению пород. Наиболее распространенными текстурами являются плитчатые, иногда переходящие в массивные. Породы обладают повышенной плотностью и хрупкостью.
Определения энергетических параметров деструкции систем «уголь-газ» по результатам термодинамического анализа и результатам вакуумной декриптометрии
Для привязки разработанных термодинамических моделей состояния систем «уголь-газ» к конкретным горно-геологическим условиям в реальных пластах был проведен анализ геофизических и горных параметров, измеряемых для угольных пластов и вмещающих пород на Краснодонецком месторождении, выявлены интересующие нас корреляции между этими величинами. Осуществлена предварительная апробация методики оценки параметров моделей по реальным геофизическим и горным характеристикам, включающая использование всего комплекса имеющихся геофизических данных, расчеты некоторых характеристик исходя из геологических условий, оценку недостающих параметров по корреляциям между различными характеристиками и по результатам дополнительных лабораторных исследований. В частности, горное давление и температура оценивались по геологическим условиям и по результатам прямых измерений при эксплуатации месторождения. Упругие характеристики угля и вмещающих пород - по имеющимся данным непосредственных измерений и по корреляциям между упругими параметрами, геологическими данными, и стандартными данными по прочностным характеристикам. Сорбционные характеристики - по натурным данным для газовыделения и газоносности и по результатам лабораторных исследований углей (пористость, кривые сорбции). Используя полученные результаты, определены три типичные .зоны для вмещающих пород (песчаники, аргиллиты и известняки) и две типичные зоны для угольных пластов (спокойные угли и угли из зон флюидизации). Для этих зон проведены оценки средних реальных параметров, которые были использованы для расчета параметров моделей. В таблице 4.1 приведены оценки средних параметров для вмещающих пород, в таблице 4.2 - для углей.
Таким образом, проведена подготовительная работа для расчета энергетических параметров распада твердых углегазовых растворов на основе термодинамического анализа состояния системы «уголь - газ» для Краснодонецкого полигона. Для полного расчета кроме вышеприведенных характеристик необходимо знать еще пористость и параметра сорбции, такие как коэффициент набухаемости и предельную сорбционную емкость. Используя средние типичные значения пористости и коэффициента набухаемости, можно оценить близость системы «уголь-газ» для вышеуказанных углей к метастабильному состоянию. Проведенные расчеты показали, что система «уголь-газ» в спокойных зонах будет находиться в метастабильном состоянии, если ее предельная сорбционная емкость превышает 40 м3/т, а в зонах флюидизации- при превышении 20 м3/т. Отметим, что предельная сорбционная емкость превышает величину измеренной газоносности (обычно на 10-50%), поэтому можно сделать вывод, что в спокойных зонах метастабильного состояние в большинстве участков не будет, а в активных зонах наоборот, практически на всех участках будет метастабильное состояние. Количество газа Д%, выделяющегося при переходе из метастабильного состояния в стабильное (при техногенном воздействии) для спокойных зон оценивается по следующей формуле: Из полученных данных следует, что избыточный энергозапас в системе «уголь-газ», находящийся в зонах флюидизации, может достигать 40 ккал/моль, что соизмеримо с энергией активации процессов деструкции этой системы порядка 0.8-1.2 эв. Практически это означает, что флюидизированные угли будут спонтанно разрушаться при „ незначительном техногенном воздействии с выделением метана и других газов. В следующем подразделе рассмотрено другое направление теоретического моделирования, которое позволяет определять энергетические параметры системы уголь-газ непосредственно по результатам вакуумной декриптометрии. Оценка энергопасыщенности системы «уголь-газ» по F-показателю. В соответствии с методикой, изложенной в разд. 4.1.3., осуществлены предварительные определения F-показателя деструкции систем «уголь-газ» при ВД- анализе проб угля, отобранных на месторождениях В.Донбасса и Печоры. Результаты приведены в таблице 4.3.
Как видно из табл. 4.3, величина F-показателя флюидоактивности проб угля различна для Донецкого и Печорского бассейнов и закономерно изменяется в зависимости от состояния угля и места отбора проб, причем наиболее высокие значения характерны для углей, отобранных из зон флюидизации. Учитывая, что F-показатеЛь характеризует определенную часть общей энергии системы «уголь-газ», которая реализуется в процессе деструкции этой системы, можно полагать, что флюидизированные угли отличаются более высоким уровнем энергонасыщенности, по сравнению с обычными «спокойными» углями и , следовательно, для их разрушения с целью дегазации потребуются меньшие энергозатраты. Поэтому данная методика может быть использована для выбора участков угольных пластов, наиболее перспективных по газоотдаче при внешних воздействиях на горный массив. Кроме того, из полученных данных следует, что основная часть энергозапаса системы «уголь-газ» приходится на низкотемпературные интервалы термодеструкции, где еще не происходит термохимического разложения угольного вещества, и газовыделение связано с высвобождением флюидных компонентов из дефектов надмолекулярной структуры угля. Это означает, что F-показатель является энергетической характеристикой, противоположной по своему смыслу энергией активации процессов распада твердых углегазовых растворов.
Результаты определения энергии активации распада твердых углегазовых растворов Используя разработанную методику, было проведено определение энергии активации твердых углегазовых растворов по ряду эталонных проб углей. Кратко полученные при этом результаты заключаются в следующем. 1. Разработанная методика оценки интегрально- интервальной производительности газовыделения позволяет отделить дефекты, ответственные за различные участки декриптометрической кривой (в отличии от дифференциальной производительности). Так за участки в области температур 50С - 150С ответственны дефекты со средней энергией активацией 1 эВ (Рис.4.8), 100С-250С ответственны дефекты со средней энергией активации 1.5 эВ (Рис.4.9), 200С-300С ответственны дефекты со средней энергией активации 2 эВ (Рис.4.10), т.е. газовыделение при вакуумной декриптометрии в низкотемпературной области (50С - 400С) связано с источниками газа , имеющими энергию активации 1 эВ - 2 эВ. 2.Отработана методика расчета концентрации дефектов с различной энергией активации по данным вакуумной декриптометрии. Проведен такой расчет для одного образца угля, экспериментальные кривые для которого приведены на рис.4.8. На рис.4.9 приведена относительная концентрация дефектов, полученная для этого случая.
Газокинетические факторы
Диффузионно-кинетические характеристикиДиффузионно-кинетические характеристики системы «уголь-метан» зависят от многих факторов, таких как петрографический состав, нарушенность, влажность и метаморфизм углей. В работах последних лет проводилась оценка соответствия кинетических характеристик угольных образцов, определяемых по разработанным методикам [184], характеру газопроявлений при разработке пластов, сложенных этими углями, исследовались особенности диффузионно - кинетических параметров выбросоопасных пластов, изучались характер изменения коэффициента диффузии с изменением степени метаморфизма угля и нарушенности угольного пласта, определяемой по расстоянию от мест тектонических нарушений. Давно отмечена приуроченность экстраординарных газопроявлений при разработке угольных пластов к наличию в этих пластах тектонических нарушений. Проведенные нами исследования на ряде шахтопластов Донбасса и Кузбасса показали, что особенности структуры тектонически препарированных углей находят отражение в диффузионно-кинетических параметрах, которые значительно отличаются по своей величине для пластов и зон, различных по масштабам и характеру газовыделения [184]. Эта информация может быть использована для поиска зон угольных пластов с повышенной газоотдачей с целью промысловой добычи метана.
Возможность определить размер микроблоковых частиц образца, не нарушенных крупными порами и трещинами, появляется при использовании экспериментальных данных по определению удельной поверхности образца методом БЭТ [130] по низкотемпературной (77,5 К) сорбции паров азота. В этих условиях микропоры становятся недоступными для молекул азота. Экспериментальные исследования показали, что минимальные размеры пор, пустот, трещин, которые могут участвовать в образовании поверхности, оцениваемой по нашей методике, составляют 4 нм. Таким образом, под ненарушенным фрагментом угля мы подразумеваем участок угольной матрицы, не содержащий пустот размером более 4 нм. Если принять допущение о том, что ненарушенные частицы образца имеют сферическую форму, то по величинам удельной поверхности частиц и плотности образца, определенной по гелию, можно оценить усредненный (эффективный) радиус таких ненарушенных фрагментов в образце угля:R=3/dS (5.7), где R - радиус ненарушенного фрагмента, см; S - удельная поверхность образца, см2/г; d - плотность угля по гелию, г/см3.
Рассматривая ненарушенные фрагменты образца как шарики радиусом R, мы можем оценить радиус щели, образующейся при наиболее плотной упаковке этих шариков: r=0.52R (5.8) Экспериментально полученный размер ненарушенного фрагмента может быть использован для расчета коэффициента диффузии через вещество угля, не нарушенного трещинам и порами зиянием более 4 нм: D=0.087-R2/i (5.9), 213 где R - радиус ненарушенного фрагмента, см; і - время диффузионной релаксации, сек. Определение диффузионно-кинетических параметров системы метан-уголь включает в себя три эксперимента: определение удельной поверхности образца S, определение времени диффузионной релаксации г по кинетической кривой и определение истинной плотности образца угля d. Определение площади удельной поверхности образцов углей проводилось на приборе «Sorptomatic» по низкотемпературной сорбции паров азота (метод БЭТ). Для расчета удельной поверхности используется линейная форма уравнения изотермы адсорбции: Р ._L+(Czu.Z. (2.10), V(P,-P) V.C Г.С Р„ где Р0- давление насыщенного пара, мм. рт. ст.; V - равновесное количество поглощенного адсорбата, мл/г; Р- равновесное давление, мм. рт. ст.; Vm- объем сорбата, покрывающего монослоем 1 г сорбента при нормальных условиях, мл/г; С - численно неопределенная величина, характеризующая время пребывания молекулы в первом слое и в жидкости. Уравнение 2.10 в интервале относительных давлений от 0.01 до 0.35, в котором происходит заполнение мономолекулярного слоя, дает прямую линию в координатах Р/Р0 и Р/ V(Po - Р) с тангенсом угла наклона b = (С - 1)/ VmC и отрезком, отсекаемым на оси ординат а = 1/ Vm С. Отсюда можно вычислить Vm=l/(a+b) (5.11) и S= Vm NAm10 "20/М=4.35 Vm = 4.35/(a+b) (5.12) где N - число Авогадро; Am, - площадь, занимаемая молекулой сорбата в заполнен-ном монослое, А ; М - молярный объем адсорбата, мл.
Навеска образца угля помещается в бюретку, которая подсоединяется к вакуумной линии прибора, и дегазируется при температуре 60С до отсутствия натекания газа (до постоянного остаточного давления 10"2 мм рт. ст.). После окончания дегазации бюретка с образцом погружается в сосуд Дьюара с жидким азотом и подсоединяется к измерительной части прибора. При помощи дозатора в бюретку подается заданный объем газообразного азота, и после установления равновесия фиксируется давление. Эта операция повторяется 7 — 10 раз. По полученным данным строится график в координатах БЭТ и рассчитывается удельная поверхность. За величину удельной поверхности принимается среднее значение, полученное из трех экспериментов. Определение плотности угольного образца проводится на приборе "Accusorb" и сводится к оценке двух свободных объемов: объема пустой колбы и объема колбы с предварительно дегазированным образцом угля. Измерение объемов проводится с помощью гелия, так как молекулы гелия проникают во все открытые поры и в условиях эксперимента (комнатная температура) не сорбируются углем. Объем навески угля определяется как разность этих двух объемов. По объему и массе угольного образца определяется его плотность.
Для определения времени диффузионной релаксации прежде всего следовало выбрать условия, при которых снимались кинетические кривые. Поскольку в горном деле под кинетическими характеристиками угля понимаются величины, полученные по кинетическим кривым сорбции или десорбции при комнатной температуре и давлении 760 мм рт. ст., исходными условиями были приняты комнатная температура и перепад давления от 0 до 760 мм рт. ст. Для снятия кинетических кривых был переоборудован прибор "Accusorb". Кинетические кривые должны сниматься при маностатировании, поэтому следовало подобрать объемы, обеспечивающие такое изменение давления в процессе опыта, которое, с одной стороны было бы достаточно малым для того, чтобы этой величиной можно было пренебречь по сравнению с общим значением давления (не более 3%), а с другой стороны, это изменение должно быть настолько значительным, чтобы по нему рассчитывать поглощение метана из объема. Для удобства проведения экспериментов использовался измельченный уголь фр. 0,25 - 0,5 мм. Ранее авторами было экспериментально подтверждено, что диффузионно-кинетические параметры угля не зависят от размера зерна в интервале 0,25-5,0 мм. Сущность эксперимента по получению кинетических кривых сорбции заключалась в следующем Навеску измельченного угля помещали в колбу и подсоединяли к прибору. Эвакуировали образец и все дополнительные емкости. После эвакуации замеряли гелием свободный объем, и вновь эвакуировали систему и образец. Затем в систему подается ад-сорбат — метан. Величина исходного давления метана подобрана таким образом, чтобы в системе при перепуске адсорбата в колбу с углем установилось давление близкое к 760 мм. рт. ст При наступлении контакта метана с углем в течении 15 мин. каждые 10 сек. фиксируется давление в системе. Затем давление фиксируется каждые 10-15 мин. до достижения равновесия. Одновременно фиксируется температура. Предварительно проведенные эксперименты показали, что для углей средней стадии метаморфизма насыщение достигается в течение 4-6 часов. Время диффузионной релаксации г расчитывается по формуле: г= І/tg а, где а угол наклона начального прямолинейного участка кинетическои кривой в координатах з ао — t , которые рассчитываются по экспериментальным данным (at - количество метана, сорбированное к данному моменту времени, см3/г; ао — сорбционная емкость угля при атмосферном давлении, см /г: t — время от начала эксперимента, сек).
