Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса по прогнозу метаноносности угольных пластов. цель и задачи работы 9
1.1. Методика исследования метаноносности угольных пластов 21
1.2. Основные факторы влияющие на метаноносность угольных пластов 25
1.2. Методика исследования стадий дегазации угольного керна 30
1.3. Выбор объектов исследования 31
Выводы
2. Исследование распределения «активного» и «пассивного» метана в угольном пласте 32
2.1. Исследование соотношения между активным и пассивным метаном в угольном керне 32
2.2. Определение зависимости значений природной метаносности по толще угольного от глубины залегания и выхода летучих веществ 36
2.3. Исследование зависимости метаноёмкости угля от стадии метаморфизма при атмосферном давлении 45
Выводы 49
3. Исследование характера изменения природной метаноносности угленосной толщи 51
3.1. Изучение зависимости природной метаноносности угольного пласта от глубины залегания 51
3.2. Анализ и оценка соответствия теоретических зависимостей фактическим условиям изменения природной метаноносности 69
Выводы 77
4. Разработка методов прогноза объёмов активного и пассивного метана в угольном пласте 78
4.1. Определения верхней границы метановых газов по геологоразведочным данным с использованием полученных зависимостей 77
4.2. Определения градиента природной метаноносности по геологоразведочным данным 81
4.3. Выбор критериев достоверности данных керногазового опробования по метаноносности угольных пластов 89
4.4. Расчет объема «активного» метана, содержащегося в ограниченной области угольного пласта
4.5. Сравнительный расчёт метановыделения из разрабатываемого пласта и расхода воздуха для проветривания участка.
Выводы 95
Заключение 97
Литература 99
Приложения 109
- Основные факторы влияющие на метаноносность угольных пластов
- Определение зависимости значений природной метаносности по толще угольного от глубины залегания и выхода летучих веществ
- Анализ и оценка соответствия теоретических зависимостей фактическим условиям изменения природной метаноносности
- Определения градиента природной метаноносности по геологоразведочным данным
Введение к работе
Актуальность работы. Систематическое изучение газоносности угольных пластов при разведке шахтных полей Кузнецкого бассейна было начато в 1954 году. Метаноносностью угольных пластов занимались следующие учёные и специалисты: А.Т. Айруни; Г.А. Беспятов; A.M. Дмитриев; Н.В. Дорошкевич; А.И. Дьячков; В.И. Ермаков; М.А. Ермеков; К.А. Ефремов; В.А. Колмаков; А.И.Кравцов; P.M. Кривицкая; Н.Н. Куликова; Г.Д. Лидин; А.А. Мясников; И.Д. Мащенко; А.Э. Петросян; И.М. Печук; Ю.С. Премыслер; В.Н. Пузырёв; Б. Г. Тарасов; О.В. Тендер; В.И. Ткач; О.И. Чернов; И.Л. Эттингер; В.В. Ходот и другие. Из анализа работ следует, что недооценка своевременных исследований газоносности при геологоразведочных работах на уголь приводит в процессе эксплуатации к несоответствию газового режима шахт, их вентиляционных возможностей реальной метанообильности и соответственно к дополнительным работам по их реконструкции, стоимость которых во много раз превышает затраты, связанные с изучением газоносности угольных месторождений. Поэтому актуальным направлением в области повышения достоверности прогноза метано-носности угольных пластов является выявление закономерностей и зависимостей изменения метаноносности угольных пластов, использование которых на этапе геологоразведочных работ позволяет уменьшить ошибки при составлении карт прогноза природной газоносности. Важно также знать не только метаноносность в любой точке угольного пласта, но и основные её составляющие. Основными составляющими природной метаноносности являются «активный» метан, который может выделиться при стандартных условиях, и «пассивный» метан, который не выделяется при стандартных внешних условиях. Установить зависимость этих величин от горно-
5 геологических факторов является важной задачей, которую нужно решить на этапе геологоразведочных работ.
Цель работы. Усовершенствовать метод прогноза природной метано-носности в угольном пласте по геологоразведочным данным на основе полученных зависимостей изменения объёма метана в угольном пласте для повышения безопасности ведения горных работ в шахтах.
Основная идея работы заключается в использовании уточненных объёмов метана, получаемых на разных стадиях дегазации угольного керна, для более достоверного прогноза метаноносности угольных пластов.
Задачи исследования:
установить закономерности изменения объёмов метана, выделяющегося на различных этапах дегазации угольного керна;
оценить в полном газовом балансе угольной пробы долю метаноносности, которая может выделиться при стандартных внешних условиях;
установить характер варьирования изменчивости метаноносности угольного пласта по мощности;
определить тип зависимости, которая описывает процесс изменения природной метаноносности с глубиной залегания угольного пласта;
разработать методики определения поверхности метановой зоны, расчёта градиента природной метаноносности, объёмов «активного» метана в угольном массиве.
Методы исследования. Для решения указанных задач использовались методы математического анализа и математической статистики, исследова-
ниє операций. Для первичной обработки данных керногазового опробования использовались методы корреляционного анализа.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
при прогнозировании метаноносности необходимо учитывать, что ме-таноносность складывается из двух частей, одна из которых способна выделяться из угольного пласта при атмосферном давлении, другая только в условиях вакуума;
объём метана, который может выделиться из угольного массива при атмосферном давлении, возрастает, а доля остаточной метаноносности в общей метаноносности убывает с глубиной залегания угольного пласта;
неравномерность распределения природной метаноносности угольного пласта по его мощности связана с глубиной залегания пласта и стадией метаморфизма угля;
изменение метаноносности угольного пласта с глубиной его залегания описывается логарифмической параболой;
выполненные исследования позволяют оценить объём содержащегося в угольном пласте метана, выделяющегося при изменении внешнего давления от пластового до атмосферного.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
достаточным объёмом первичного материала, использованного для получения достоверных зависимостей;
корректным использованием методов математической статистики и исследования операций;
достаточной сходимостью получаемых результатов с фактическими данными;
пошаговым контролем получаемых результатов;
использованием в работе только достоверных материалов газового опробования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
определена зависимость между объёмами «активного» и «пассивного» метана в угольном керне;
определён коэффициент разброса значений природной метаноносности по толще угольного пласта;
выявлены критерии для зависимостей, используемых при описании изменения природной метаноносности с глубиной залегания угольного пласта;
предложены новые зависимости изменения природной метаноносности с глубиной залегания угольного пласта;
разработан метод определения поверхности метановой зоны и градиента природной метаноносности по геологическим данным.
Личный вклад автора состоит в разработке методов и выявлении закономерностей, увеличивающих достоверность результатов прогноза природной метаноносности, и включает:
в выделении в газовом балансе керногазовой пробы объёмов «активного» и «пассивного» метана;
в нахождении связи между объёмами «активного» и «пассивного» ме-танов и её зависимости от других горно-геологических факторов;
в установлении коэффициента неравномерности метаноносности по толще угольного пласта;
в нахождении зависимости изменения природной метаноносности от глубины залегания угольного пласта;
8 - в создании основ оценки объёмов «активного» метана в угольном пласте.
Практическая ценность работы заключается в разработке новых подходов к оценке природной метаноносности угольных пластов на основе использования объёмов «активного» метана, разработке методик определения поверхности метановой зоны и градиента природной метаноносности по геологоразведочным данным.
Реализация работы. Основные научные результаты исследований и практические рекомендации автора включены во «Временную методику исследования газоносности угольных пластов», используемую трестом «Куз-бассуглеразведка» и Северо-Кузбасской геологоразведочной экспедицией для составления карт прогноза метаноносности.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались в тресте «Кузбассуглеразведка» (г. Кемерово, 1993); на III Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Кемерово, 1999); на кафедре «Аэрология, охрана труда и природы» (г. Кемерово 2003); на научно-практической конференции «Безопасность предприятий угольных регионов» (г. Кемерово, 2000).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти
глав, основных выводов и приложений (130 страниц текста, 15 рисунков, 25
# таблиц, список литературы - 75 источников).
Автор выражает глубокую признательность за методическую помощь научному руководителю, заслуженному деятелю науки и техники докт. техн. наук проф. В. А. Колмакову.
9 Выполнение работы было бы невозможно без помощи и участия коллектива тематической партии треста «Кузбассуглеразведка», которым автор выражает свою благодарность.
Основные факторы влияющие на метаноносность угольных пластов
Основным методом определения природной метаноносности в Кузнецком бассейне - является прямое газовое опробование. Для этого используются керногазонаборники с «колоколом» типа КГН-3-58 (рис 2.1). По существующей технологии определения метаноносности угольных проб, выделяются следующие режимы дегазации керна: сбор газа, поступающего в «колокол» при перебуривании угольного пла ста и подъёме керногазонаборника, при этом внешнее давление изменяется от пластового до атмосферного, чаще всего этот объём обозначается VK0Jt; сбор газа из керноприёмника, выделяемого керном при внешнем посто янном давлении и комнатной температуре, замер объёма газа происходит на буровой сразу же после подъёма керна, при этом замеряется скорость дегазации, сбор газа прекращается при уменьшении объёмной скорости газоотдачи до 100 см3/час. После этого керноприёмник герметизируется, доставляется в газовую лабораторию. Объём газа выделившегося на этом этапе дегазации, чаще всего обозначается VK„ - сбор газа выделяемого при лабораторной дегазации пробы, когда внеш нее давление равно одной атмосфере, а температура - комнатная. В этот объём входит свободный газ, находящийся в керноприём-нике, выделившийся после окончания второго этапа дегазации. Чаще всего этот объём обозначается Vce; сбор газа, полученного из угольного керна при термовакуумной дегаза ции, внешнее давление 10-15 мм.рт.ст. и температура 80 С, чаще всего этот объём обозначается VeaK; сбор газа, выделившегося при термовакуумной дегазации керна после его дробления, внешние параметры те же, что и на предыдущем этапе, чаще всего этот объём обозначают К .вак-Общая черта первых трёх стадий дегазации угольного керна, внешнее давление больше либо равное атмосферного. То есть эта часть метана содержащегося в угле может выделится при стандартных внешних условиях (температура около 20С, давление атмосферное). Поэтому эту часть газового баланса угля можно назвать «активным». Остальной объём газа, который не может выделиться при стандартных внешних условиях «пассивный».
Основой для математической модели составили данные керногазового опробования из материалов треста «Кузбассуглеразведка» которые были преобразованы из первичных материалов в таблицы. Эти таблицы в силу их громоздкости не могут быть представлены в этой работе. Но один из примеров преобразованных первичных материалов представлен в таблице «Первичные материалы газового опробования пласт «IV-V» поле шахты «Томская». Из которой можно судить, что не все представленные материалы могут быть использованы в дальнейшем анализе, так как имеют слишком малый вес, или большую зольность, или большие потери на различных этапах дегазации.
В приведённом сокращённом варианте используемых в дальнейшем анализе таблиц не представлены данные по выходу летучих веществ, природной зольности и влажности, а также другие параметры которые отражены в первичных материалах.
Проведённая статистическая обработка первичного материала позволила выделить закономерности которым подчиняются объёмы метана выделившиеся на разных стадиях дегазации.
Эти исследования позволяют используя интерполяцию восстанавливать возможные объёмы метана которые недостоверно представлены в газовом балансе при керногазовом опробовании.
Определение зависимости значений природной метаносности по толще угольного от глубины залегания и выхода летучих веществ
Для прогноза метанообильности горных выработок необходимо знать не только значение метаноносности угольного пласта. Но метаноносность в двух близких точках может иметь различные значения. Поэтому для точного прогноза нужно знать не только точное значение метаноносности, но и возможные её колебания. Так как наибольшую информацию несут хс среднее значение метаноносности и хм- максимальное значение метаноносности по подсечению, то за коэффициент неравномерности логично взять их отношение:
Достоинства предлагаемого коэффициента: безразмерность и возможность определить даже по интерполированному среднему значению природной метаноносности её максимальную величину, то есть позволяет оценить максимально возможную метанообильность. Если считать, что потери при определении максимального значения метаноносности потери отсутствуют, то можно утверждать, что коэффициент кр является аналогом используемого в настоящее время коэффициента потерь.
Анализ факторов, влияющих на рассматриваемый коэффициент, позволил выделить, что наибольшее влияние на его значение оказывают глубина отбора пробы и выход летучих веществ. Для определения зависимости, из материалов газового опробования фондов треста «Кузбассуглеразведка» были отобраны данные метаноносности пластов обладающие следующими свойствами: при одном подсечении угольного пласта было произведено не менее трёх определений значений природной метаноносности, причём все отобранные пробы были «достоверными». Всего в анализе использовалось 943 газовые пробы по 206 подсечениям пластов разведочными скважинами на 35 шахтопластах Кузбасса.
Отобранные пробы принадлежат интервалу глубин от 82 м. до 576 м. с выходом летучих веществ от 13% до 42% . Для каждого подсечения вычислено значение коэффициента кр. Определение вида зависимости проведено в два этапа. На первом этапе для фиксированного значения Vdaf были по строены графики изменения кр от глубины h . На рисунках 2.1, 2.2 и 2.3 представлен характер изменения кр от h при VdaJ =19% , VdaJ =27% и
Анализ графического материала позволил предположить, что зависимость изменения коэффициента кр от глубины, при фиксированном значении Vdaf, можно описать зависимостью вида:
На втором этапе находился вид этих функций. Для этого были рассчитаны методом наименьших квадратов значения at и bt при выходе летучих веществ от 13% до 42% с шагом 1%. Полученные значения вынесены на графики. На рис. 3.4 изображено изменение я,- в зависимости от выхода летучих веществ. На рис. 2,5 изображено изменение коэффициента bt в зависимости от выхода летучих веществ.
Анализ этих графиков позволил предположить, что для используемого интервала глубин и выхода летучих веществ, функции / и ср изменяются по зависимости близкой к параболической. Методом наименьших квадратов были рассчитаны коэффициенты этих функций, при этом получились следующие зависимости
Анализ и оценка соответствия теоретических зависимостей фактическим условиям изменения природной метаноносности
Точный прогноз газообильности горных выработок по данным геологоразведочных работ должен основываться на достоверных материалах газового опробования. Под достоверными газовыми пробами понимаются, то есть, газоносность которых совпадает с природной газоносностью угольного пласта. Процесс определения достоверности проб проводится в два этапа. На первом этапе используется объективные критерии: выход керна; герметичность керноприемника; зольность пробы; срок хранения. Основные ограничения, которые используются при этом: выход керна не менее 75%, зольность не более 15%, срок хранения керна, или промежуток между режимами, на которых определяется хсв и хвак не более 15 суток. На втором этапе происходит субъективный анализ, то есть исследователь, основываясь на собственном опыте и знаниях решает вопрос о соответствии данных газового опробования природной газоносности пласта.
Используя зависимости, полученные в предыдущих разделах можно предложить два дополнительных критерия оценки достоверности данных газового опробования. Первый основывается на очевидном предположении, что для любой газовой пробы наиболее точно определяется Qnac. Поэтому можно восстановить полную газоносность пробы, имеющую потери метана на режимах дегазации определяющих «активный» метан. Для этого используя данные: h - глубина отбора пробы и R - отражательная способность витринита в иммерсионном масле, находится по формуле (2.5) значение ka, затем определяется полная метаноносность пробы по формуле: nac " объём «пассивного» метана в угольном керне, см /г.; ка - доля «активного метана в угольном керне.
Используя этот метод можно восстановить до 50% проб имеющих потери метана, что существенно повышает точность прогноза природной метаноносности угольных пластов.
Второй критерий основан на использовании коэффициента разброса метаноносности, кр. Для этого в локальной области находится расчётное значение кр „ (область не должна иметь зон нарушений, большого разброса значений выхода летучих веществ). Объём области определяется числом данных газового опробования, их число должно быть более 10. Полученное значение сравнивается с крт - полученным по формулам (2.10), (2.12) для средних значений глубины отбора проб и выхода летучих веществ из рассматриваемой области. Если к„ „ к„т и если разность кр „ - крт существенно отлична от нуля, (разность превосходит заданный порог точности) то считается недостоверной проба с наименьшим значением метаноносности, и исключается из дальнейшего анализа. Затем процедура повторяется до тех пор пока разность не будет меньше порогового значения определяемого точностью требуемого прогноза метаноносности. Оставшиеся пробы считаются достоверными. Выбраковка проб с наименьшими значениями метаноносности производится на основании предположения о том, что вероятность получить при керногазовом опробовании пробу с меньшей метаноносностью намного больше чем пробу с высокой метаноносностью. Значит пробы с наименьшими значениями метаноносности, чаще всего не отражают истинное значение природной метаноносности.
Указанные критерии легко алгоритмируются и следовательно их легко запрограммировать, а следовательно процесс проверки достоверности проб и увеличения числа достоверных проб можно поручить ЭВМ. Все данные по метаноносности угольных пластов, которые используются в этой работе прошли указанную процедуру.
Расчет объема «активного» метана, содержащегося в ограниченной области угольного пласта. Доля «активного» метана при дегазации угольных пластов может колебаться от 75% до 97%. В работе предлагается один из возможных способов расчета его объема. Находится объем «активного» метана в зоне влияния дегазационной скважины. Пусть изменение метаноносности угольных пластов от глубины залегания описывается зависимостью: где х - метаноносность угольного пласта, м3/т; h - глубина залегания угольного пласта, м; а, Ъ, с - расчетные коэффициенты. Выдвинем предположение о том, что почва пласта параллельна горизонту и находится на глубине h0, мощность пласта равна т, в зоне влияния дегазационной скважины средняя зольность и влажность соответственно равны Аа, Wa . Область влияния дегазационной скважины D представляет собой цилиндр и при соответствующем выборе осей координат ее можно задать следующими неравенствами: радиус влияния дегазационной скважины, м; х ж у горизонтальные составляющие залегания угольного пласта, м. Пусть в области влияния дегазационной скважины стадия метаморфизма угольного пласта равна VCp . Тогда используя формулы 2.5 и 2.10, 2.12 рассчитываем среднюю долю «активного» метана в угольном пласте ка и коэффициент разброса
Определения градиента природной метаноносности по геологоразведочным данным
В 1955 г. упомянутыми двумя организациями была составлена первая временная инструкция по определению газоносности угольных пластов при геологоразведочных работах в Кузбассе, и с 1956 г. было начато планомерное изучение газоносности углей на участках детальной разведки. Опробование пластов велось территориальными партиями под методическим руководством созданной для этой цели при тресте Кузбассуглегеология специализированной партии по изучению газоносности углей. Одновременно Вост-НИИ и трестом были начаты научные исследования по разработке способа установления действительной (наиболее вероятной) газоносности пласта в точке пластоперосечения по данным опробования и методики графического обобщения результатов на картах прогноза газоносности угольных пластов.
Накопление значительного фактического материала по газоносности угольных месторождений позволило в 1958 г. разработать «Инструкцию по определению газоносности углей и составлению карт прогноза газоносности угольных пластов при разведке шахтных полей» для условий Кузбасса. Инструкция включала схемы расположения скважин в зависимости от структурно- тектонических типов месторождений, изложение техники и методики отбора проб при перебуривании пластов различной мощности, методики лабораторных работ по определению газоносности проб углей и состава газов, расчета содержания метана в каждой пробе и пласте в целом, определения действительной газоносности пласта, построения участковых карт прогноза газоносности на основе структурных гипсометрических карт угольных пластов и некоторые рекомендации по применению их для определения ожидаемой газообильности шахт. Инструкция была подготовлена к печати и в 1961г. издана. С этого времени все разведочные партии треста Кузбассуглегеология, шахтная геологическая служба, партии при угольных трестах Кузбасса, а также геологические организации некоторых других бассейнов пользовались ею в практической работе как основным нормативным и методическим руководством, вплоть до выхода в свет общесоюзной «Временной инструкции по определению и прогнозу газоносности (метаноносности) угольных пластов при проведении геологоразведочных работ» [4].
В 1958—1961 гг. трестом Кузбассуглегеология и ВостНИИ в содружестве с Московским геологоразведочным институтом им. С. Орджоникидзе (МГРИ) решались следующие вопросы, уточняющие методику построения карт прогноза газоносности пластов Кузбасса: определение действительной газоносности угольных пластов по результатам, получаемым с помощью керногазонаборников; освоение метода определения потенциальной газоносности пластов угля; определение рационального количества кернов при опробовании мощных угольных пластов на газоносность; использование данных газообильности горных выработок для построения карт прогноза газоносности угольных пластов. С участием МГРИ в изучении газоносности угольных месторождений Кузбасса было также начато освоение в бассейне разработанного этим институтом комплексного метода исследования газоносности разреза угленосной толщи с применением газового каротажа [6].
Увязка результатов опробования пластов керногазонаборниками с данными первоначальной газоносности отработанной части пластов, рассчитанными по газообильности горных выработок, была в 1959 г. впервые выполнена на примере бывшей шахты Центральной Кемеровского района (ныне
2-й район шахты Северной) и несколько позднее — по основному полю (1-му району) шахты Северной и по шахте им. Ворошилова. Несмотря на ряд допущений, были получены сопоставимые и подтверждающие друг друга результаты. Этим самым были установлены возможность и необходимость использования шахтных материалов по газообильности в качестве вспомогательных исходных данных для уточнения направления изогаз на картах.
В 1963 г., на основе накопленного опыта построения карт прогноза газоносности угольных пластов, трестом Кузбассуглегеология и МГРИ была выполнена первая в бассейне работа по составлению региональных карт прогноза на основании количественных характеристик природном газоносности пластов. Были построены карты прогноза газоносности Ленинского района для пяти горизонтов (100 м, 0 м, -100 м, -200 м и -300 м) на основе погоризонтных планов масштаба 1:100000. Для их составления были использованы результаты изучения газоносности углей по разведочным скважинам на участках детальной разведки, начинай с 1956 г. Изогазы на картах проводились через 5 м /т.с.г.м.
В 1964 г. ВостНИИ по результатам опробования на газоносность разведочных участков и материалам газообильности горных выработок шахт составил региональные карты прогноза газоносности семи основных пластов Прокопьевско-Киселевского района в масштабе 1:25000. В отличие от карт Ленинского района за основу были приняты сводные структурные гипсометрические карты пластов. Построенные карты позволяли дать укрупненную ориентировку в отношении масштабов возможных газовыделений при разработке нижних горизонтов шахт и новых площадей в пределах основных тектонических структур на стадии перспективного планирования и технико-экономического обоснования дальнейшего развития района.
В последующие годы карты прогноза газоносности были составлены по юго-западной части Ерунаковского района, юго-восточной части Байда-евского района, Осиновскому району, Томь-Усинскому району и юго-западной части Терсинского района. Как погоризонтные карты прогноза газоносности районов, так и карты прогноза газоносности основных рабочих пластов углей выполнялись на геологической основе масштаба 1:25000, за исключением Байдаевского района, где карты построены в масштабе 1:10000.
