Спосіб визначення зон скупчення метану на відпрацьованих ділянках шахт

Винахід має відношення до гірничої промисловості. Ним можна користуватись для визначення зон скупчення метану в осадочних відкладах на відпрацьованих ділянках вугільних шахт, з метою подальшого його видобування. В гірничій промисловості відомий спосіб визначення ділянок стрижневих палеопотоків в пісковиках по даним коефіцієнта відносної потужності пісковика - Кв.п.п. [1]. З підвищеними значеннями Кв.п.п. пов'язані найбільш викидонебезпечні та газонасичені геологічні пласти пісковиків. Недоліком даного способу є те, що він не враховує утворення вторинної морфології досліджуваного стратиграфічного інтервалу осадочних порід після відпрацювання вугільного пласта та посадки основної покрівлі. Значні скупчення шахтного метану можуть утворюватись в зонах воринного розущільнення порід, яке утворюється після відробки вугільного пласта і не тільки в зонах палеопотоков, айв інших відкладах. Найближчим аналогом винаходу є спосіб визначення антиклинальних локальних структур відносно апроксимуючої площини пісковика – колектора, з якими пов'язані скупчення метану [2]. Недоліком даного способу є те, що він також не враховує утворення вторинної морфології досліджуваного стратиграфічного інтервалу осадочних порід після відпрацювання вугільного пласта та посадки основної покрівлі. Антиклинальні структури можуть попадати в зони розущільнення і тоді вертикальні та текстурні тріщини, які там виникають будуть служити шляхами для перетоку газу в інші місця. В основу винаходу поставлено задачу створення способу визначення зон скупчення метану на відпрацьованих ділянках шахт, в якому шляхом побудови карт газоекрануючих інтервалів, що є біструктурним сполученням пласта вапняку та пласта аргіліту і розташовані на відстані 70 - 150 м над відпрацьованим вугільним пластом, визначаються зони вільного скупчення метану, так звані „газові кишені”, що забезпечує підвищення надійності та достовірності прогнозування зон скупчення метану у відкладах відпрацьованих вугільних шахт та можливість видобування і утилізації його. Поставлена задача вирішується тим, що в спосіб визначення зон скупчення метану на відпрацьованих ділянках шахт, який включає збір і аналіз геолого-геофізичних даних, відповідно винаходу, в інтервалі 70 - 150 м над відпрацьованим вугільним пластом вибирають біструктурне сполучення пласта вапняку (не менше 1 м) з залягаючим на ньому пластом аргіліту, визначають загальну потужність цих пластів по формулі: H г.і. = H в. + H а. ; де H г.і. - потужність газоекрануючого інтервалу; H в. - потужність обраного вапняку; H a. - потужність аргіліту, який залягає над вапняком; будують карту потужності газоекрануючих інтервалів, по якій визначають зони скупчення вільного метану. Суть винаходу полягає в тім, що згідно наших та літературних даних [3-5], вапняк відрізняється підвищеною, відносно інших порід, щільністю, що має певні наслідки на відпрацьованих ділянках шахтних полів. Після відробки вугільних пластів настає посадка основної покрівлі вугільного пласта, а потім компенсаційне просідання масиву гірських порід, які залягають над відпрацьованим вугільним пластом. Це просідання проходить достатньо довго і нерівномірно. В тих місцях, де залягають потужні вапняки, цей процес сповільнюється. Вапняк мов би утримує породи, що залягають вище. З часом ці вапняки теж просідають під дією геостатичних напруг, але на якийсь час під ними формується порушена зона, своєрідна «газова кишеня». Якщо над вапняком залягає аргіліт, формується біструктурне сполучення (щільність дає вапняк, а газонепроникність - аргіліт, який володіє газоекрануючими властивостями). Чим більше потужним є вказане біструктурне сполучення, назване «газоекрануючим інтервалом», тим довше буде утримуватись вказаний «газовий карман» і тим меньше газа вийде з досліджуваного інтервалу за певний час. Свердловини, при інших рівних умовах, слід закладувати в місцях залягання більш потужних газоєкрануючих інтервалів, перебурювання їх дозволить більш ефективно дегазувати гірничий массив, або видобувати так званий «техногенний» газ. В останні роки проблема видобування та утилізації шахтного метану є дуже актуальною, як за кордоном, так і на Україні. Донбас розглядається вченими не тільки як вугільне родовище, але і як регіон зі значними запасами метану, по останній оцінці в 278 трил. м3 [6]. В таких західних державах, як Англія та Германія, вугільні родовища вже не відпрацьовують, але газ-метан, який накопичується в новостворених пастках, видобувають і утилізують, маючи з того прибуток. Після відпрацювання вугільного пласта породи, які залягають вище, просідають, що приводить до їх розущільнення. Так виникають техногенні поклади вуглеводнів, які практично не відрізняються від природного газу. Якщо їх не видобувати, вони мігрують по тріщинам, тектонічним порушенням вгору і коли вийдуть на поверхню, можуть накопичуватись у житлових та промислових будинках, утворювати з повітрям вибухову суміш. Метан, який виходить в атмосферу, суттєво впливає на екологію регіону та Землі в цілому. Для видобування таких штучних, або техногенних родовищ метану, необхідно знати де він буде накопичуватись. Пошуки таких зон скупчення метану - є метою цього способу. На цей час відомо, що кожне родовище взагалі і вуглегазове, зокрема, відрізняється своїми гірничогеологічними умовами а видобування газу на відпрацьованих і не відпрацьованих ділянках, теж має свої відмінності. Згідно класичним уявленням нафтогазової геології, всяка газова пастка визначається наявністю трьох основних факторів: колектора, геологічної структури і газоекрануючої покришки. Для умов Донбасу основними колекторами є пісковики, геологічні структури можуть бути представлені різними типами: літологічна, тектонічна, класична антикліналь та інші. Визначенням газоекрануючих покришок, або газоекрануючих інтервалів дослідники раніше не займалися, оскільки Донбас не розглядався як газове родовище і в цих роботах не було необхідності. В останні роки Донбас розглядається не як вугільне, а як вуглегазове родовище, тому роботи по визначенню зон скупчення метану набули актуальності. Згідно з даними М.А. Іофіса [3], в процесі відпрацювання вугільного пласта і слідуючій за цим просадні основної покрівлі робиться разущільнення вуглепородного масиву над вугільним пластом, що розробляється. При цьому формується чотири основні зони, які характеризуються наступними властивостями. Перша зона розташована, приблизно, в інтервалі від 0,0 до 8,0 метрів вище вугільного пласта і відрізняється від інших повним руйнуванням і перем'ятістю порід. Друга зона (від 8,0 до 30 м над пластом, що розробляється) характеризується формуванням інтенсивної вертикальної тріщинуватості та частковим руйнуванням біля основи інтервала. Третья зона (від 30 до 80 м над пластом, що розробляється) характеризується формуванням інтенсивної горизонтальної або, так званої пошаруватої тріщинуватості і рідкої вертикальної тріщинуватості. Четверта зона (від 80 до 130 м над пластом, що розробляється) характеризується формуванням слабковираженої пошаруватої тріщинуватості, яка може разповсюджуватися і вище - до 325 м над пластом, що розробляється. Оскільки всі породи раннього і середнього катагенезу (включаючи і пластову воду) Донецького басейну є газонасиченими в різній мірі, з разущільнених порід вивільнюється шахтний метан і, оскільки він володіє низькою питомою вагою, то дренує в верхні горизонти. Слід сказати, що в гірських породах Донбасу зосереджена значна кількість органічної речовини (від 2 - 3 % в пісковиках, до 10 -15 % і більше в аргілітах), яка має визначені об'єми сорбованого метану. При разущільненні масиву відбувається виділення як вільного газу, так і сорбованого, в результаті десорбційних процесів. Таким чином, в розущільненій зоні скупчуються значні об'єми газу і, якщо немає природних перешкод, він буде поступово дренувати вверх, аж до самого виходу на денну поверхню. Суттєво вплинути на цей процес можуть породи-покришки, розташовані в 3-ій або 4-ій зонах (по М.А. Іофісу). До таких порід-покришок слід відносити комплекс – вапняк, перекритий аргілітом. Запропонований спосіб визначення зон скупчення метану на відпрацьованих ділянках шахтних полів реалізується таким чином. В покрівлі відпрацьованого вугільного пласта, на відстані не менше 70 м і не більше 150 м від нього, обирається найбільш потужний вапняк в сполученні з потужним вищезалягаючим аргілітом (це біструктурне сполучення, або газоекрануючий інтервал). Ближче до відробленого вугільного пласта вибирати цей інтервал не рекомендується, внаслідок того, що ві може бути суттєво порушений вертикальними тріщинами після посадки основної покрівлі. В такому випадку вибраний інтервал не буде виконувати газоекрануючу функцію. Вище 150 м від відробленого вугільного пласта ефект формування „газової кишені" буде суттєво знижуватись до повного його зникнення. Тому найбільш оптимальне розташування газоекрануючого інтервалу вибирається в проміжку 70 -150 м на відпрацьованим вугільним пластом. Після проведеного вибору, по всім свердловинам, що є на ділянці дослідження (по каротажним діаграмам або геологічним розрізам) визначаються потужності обраного газоекрануючого інтервалу (Н г.і.) по формулі: Нг.і.=Нв.+На. Отримані значення виносять біля кожної використаної свердловини на гіпсометричний план відробленого вугільного пласта (або план гірничих робіт) і методом інтерполяції з'єднують рівні значення з інтервалом, який находять по відомому з математичної статистики методу [7], після чого виділяють мало перспективні зони (при загальній потужності біструктуного сполучення до 5 м, в якому потужність вапняку від 1 до 2 м), середньо перспективні зони (при загальній потужності біструктуного сполучення від 5 до 10 м, в якому потужність вапняку від 2 до 3 м) та перспективні газоносні зони (при загальній потужності біструктуного сполучення більше 10 м, в якому потужність вапняку більше 3 м). Як приклад була обрана шахта ім. О.Ф. Засядька, Донецько-макіївського району, на якій зафіксовано багато викидів породи, вугілля, проявів суфлярів. На плані гірничих робіт пласта m3 масштабу 1:5000 в покрівлі вугільного пласта найбільш прийнятним бук вапняк М5, над яким залягав потужний аргіліт. В результаті виконаних робіт було визначено, що потужність газоекрануючого інтервалу на ділянці, що досліджувалась, змінюється від 2,6 м в районі св. ДМ-1917 на півдні шахтного поля, до 16,1 м в районі св. Щ-9, на півночі шахтного поля. На сході шахтного поля, в районі 17 - ї східної лави і свердловин: МТ - 330, МТ - 332, 3790, 3859, встановлена зона підвищеного газоекрануючого інтервалу з потужністю 10 м (потужність вапняку більше 2 м), тобто вказаний інтервал відноситься до середньо перспективної зони (рис.1). Після відробки вугільного пласта в цій зоні з св. МТ - 330 було отримано значну кількість метану, не зважаючи на те, що знайдена зона не співпадала з антиклінальною структурою чи потужними пісковиками. Слід підкреслити, що карти газоекрануючих горизонтів більш інформативні саме для відпрацьованих ділянок шахтного поля та тих, що відпрацьовуються. ЛІТЕРАТУРА 1. Забигайло B.E., Лукинов B.B., Широков А.З. Выбросоопасноть горних пород Донбасса. - Киев: Наук. думка, 1983. - 288 с. 2. Тектоника и горно-геологические условия разработки угольных месторождений Донбасса / В.Е. Забигайло и др., Киев: Наук. думка, 1994. -152 с. 3. Иофис М.А., Шмель А.И. Инженерная геомеханика при подземных разработках. - М.: Недра, 1985. - 248 с. 4. Атлас литогенетических типов угленосных отложений среднего карбона Донецкого бассейна /Л.Н. Ботвинкина, Ю.А. Жемчужников, П.П. Тимофеев и др. -М.: АН СССР, 1956.-368 с. 5. Логвиненко H.B. Петрография осадочных пород // М.: Высш. Школа, 1984.-416 с. 6. Узіюк B.I., Бик C.I., Ільчишин A.B. Газогенераційний потенціал кам'яновугільних басейнів України // Геологія і геохімія горючих копалин, 2001. -№2. -с. 110-121. 7. Турчанинов И.А., Медведев Р.В., Панин В.И. Современные методы комплексного определения физических свойств горных пород. - Л.: Недра, 1967. -199с.