Газов в угленосной толще

Наиболее распространенные компоненты газов угленосных отложений - метан CH₄, азот N₂ и оксид углерода /IV/ CO₂. Тяжелые углеводородные газы /этан C₂H₆. пропан C₃H₈, бутан C₄H₁₀, пентан C₅H₁₂ и их соединения/ и водород H₂ присутствуют в виде примесей /до 25-50%/. Остальные газы /оксид углерода /II/ СО, сернистый газ SO₂, сероводород H₂S, редкие газы - гелий He, неон Ne и др./ установлены в малых количествах.

Метан - газ без цвета, запаха и вкуса; его плотность - 0, 55 г/см³, т.е. этот газ почти вдвое легче воздуха и поэтому скапливается в верхних частях горных выработок. Температура воспламенения - 670-750 °С. Воздух с объемной долей метана до 5% при наличии постоянного источника высокой температуры горит, а с 5-16% метана - взрывается /максимальная силa взрыва - при 9, 5%/.

Метан - основной газовый компонент угольных месторождений. Его доля в сумме с гомологами /этан, пропан и др./ в газах колеблется от 0 до 100%, закономерно возрастая с глубиной. Он выделяется при метаморфизма угля и рассеянного во вмещающей породе органического вещества. В процессе углефикации из 1 г угольной массы при переходе от стадии бурых углей до стадии антрацитов выделяется 280-350 м³ метана.

Значительная часть газа может иметь глубинное /мантийное/ происхождение. Абиогенная природа газа однозначно устанавливается при изучении газоносности угленосных отложений Донбасса. Удельная плотность потока метана, генерированного из области, расположенной ниже зоны активной фильтрации атмосферных вод, и поступающего в атмосферу, для Донбасса принята равной 50 см³/м² в год. Такую плотность потока на протяжении всего периода существования угленосных отложений /250 млн. лет/ может обеспечить угольный пласт суммарной мощностью 30 м, если весь уголь превратится в антрацит и будет деметанизирован. В Донбассе 40% угля относится к марке А, причем деметанизирован только антрацит в Боково -Хрустальском и Должано-Садкинском районах. На значительной территории распространены угли низких и средних степеней метаморфизма, угольные пласты пересыщены природными газами углеводородного состава, при сохранении удельной плотности, намного превышающей принятую. Это приводит к предположению о существовании дополнительного источника метана. Таким источником может быть мантия Земли. Путями движения глубинных газов служат зоны тектонических нарушений. Дополнительный аргумент в пользу глубинной природы углеводородных газов в угленосной толще - присутствие в их составе тяжелых углеводородов.

Азот - газ плотностью 0, 9 г/см, без запаха, цвета и вкуса, инертен и не поддерживает горения. Его объемная доля в составе газов изменяется от 0 до 100%, закономерно уменьшаясь с увеличением глубины. Азот поступает в угленосную толщу из атмосферы, привносится на глубину просачивающимися поверхностными водами. Часть газа попала вместе с воздухом в период осадконакопления, некоторое количество выделилось при разложении органического вещества.

Оксид углерода /1У/ /углекислый газ/ - газ плотностью 1, 52 г/см³, без цвета, со слабым запахом и кислым вкусом, токсичен. В составе газов его объемная доля изменяется от 6 до 100%, как правило, снижаясь с глубиной до 0-5%. Существует несколько гипотез о происхождении газа в угленосной толще. Его считают продуктом либо биохимического превращения растительных остатков; либо метаморфизма углистого вещества /переход 1 т угольной массы из стадии бурых углей в стадию антрацитов сопровождается выделением 100-150 м³ CO₂ либо разложения карбонатных пород под воздействием глубинной теплоты. Некоторые исследователи предполагают, что газ поступает из недр Земли по глубинным разломам.

Доля тяжелых углеводородов в угольных пластах составляет до 20% /в Красноармейском и Донецко-Макеевском районах Донбасса - до 30-35%/.

Они обнаружат в пластах ниже зоны газового выветривания, а максимальное их содержание приурочено к углям средней стадии мегаморфизма. Происхождение тяжелых углеводородов связывают с углефикацией растительного материала, присутствием во вмещающих породах битуминозного вещества, проникновением газонефтяных флюидов из глубоких горизонтов, миграцией углеводородных газов из недр Земли.

Водород - газ плотностью 0, 07 г/см³, без цвета, запаха и вкуса, горит. Газовоздушная смесь, содержащая от 5 до 74% водорода, взрывается. Объемная доля H₂ в газах достигает 40-50%. Он может выделяться в результате биохимических преобразований растительного вещества, метаморфизма угля, миграции из подкоровой части Земли.

В углях газы находятся в свободном состоянии, в cорбированном состоянии и в физико-химической связи c органической массой. Свободный газ занимает поровое пространство и различные трещины. На глубине до 1000 м его количество незначительно, на больших глубинах его роль возрастает. Основное количество газа в угле находится в сорбированном состоянии. Объем сорбированного газа зависит от температуры, состава породы и газа. Сорбция увеличивается с ростом степени метаморфизма и давления углей и снижается с повышением температуры и влажности. Если сорбционную способность углей по отношению к азоту принять за I, то метан будет характеризоваться показателем 3, 4, а оксид углерода /1У/ - 8.

Во вмещающих породах основное количество метана находится в свободном состоянии.

Между сорбированными и свободными газами существует динамическое равновесие. Падение газового давления в угольных пластах в процессе разработки стимулирует переход сорбированных газов в свободное состояние, газ приобретает подвижность и выделяется в горные выработки.

Природные газы могут мигрировать /перемещаться/ в угленосной толще на значительные расстояния благодаря фильтрации /по свободным порам и трещинам/, движению подземных вод, которые содержат растворенные газы/, а также благодаря диффузии /движение молекул, стремящихся к выравниванию концентраций вещества/. Основные пути миграции газов из угленосных отложений в горные выработки - угольные пласты и трещины, потому что газопроницаемость ненарушенных пород ничтожна. Проницаемость пород и углей по напластованию в 10-20 раз выше, чем вкрест него. При сжатии пород в условиях тектогенеза проницаемость уменьшается в 80-100 раз. С глубиной фильтрационные свойства пород и углей снижаются, так как под давлением объем крупных пор уменьшается.

Газоносность угленосных отложений в значительной степени определяется целым рядом геологических факторов - особенностями геологического развития угольного бассейна, характером складчатых и разрывных нарушений в залегании углей и пород, литологическим составом вмещающих пород, угленасыщенностыо угленосной толщи, составом и свойствами покровных отложений, проявлением магматизма в угленосном бассейне, петрографическим составом угля, степенью метаморфизма угля, глубиной залегания угольного пласта, обводненностью угленосных отложений и др.

Особенности геологического развития определили первоначальную газоносность угленосной толщи и дальнейшее поведение газов. Первоначальная газоносность угленосной толщи Донбасса обусловлена количеством накопившегося органического вещества и степенью его метаморфизма. Современное распределение газов в углях и вмещающих породах зависит от характера тектонических, магматических и эрозионных процессов. В восточной части Донбасса /Шахтинско-Несветаевский район/ эродированы верхний карбон (C₃) и верхняя часть /свиты C₂⁶ и C₂⁷/ среднего карбона, угленосная толща разбита многочисленными разрывными нарушениями, проявилась магматическая деятельность. В результате произошла глубокая деметанизация угленосных пород, которой способствовало внедрение магматических пород, сопровождавшееся прогреванием пород и угля. Поэтому здесь все глубокие шахгы негазовые, угленосная толща деметанизирована.

Складчатые и разрывные нарушения часто являются локальными ловушками газов. В замках /сводах/ антиклиналей газоносность пластов выше, чем на крыльях. В Лисичанском районе максимальная газообильность шахт /до 50 м³/т/ и суфлярные газовыделения отмечены в пределах купольных структур, где расположены шахты «Кременная», «Томашевская», «Матросская» и др. Обильные газовыделения часто приурочены к флексурам /Центральный район в Донбассе, шахты Северная и Бирюлинская в Кузбассе и др./. В синклиналях максимальная меганосность установлена в местах перегиба складки. При прочих равных условиях пологие пласты угля более газоносны, чем крутые, так как проницаемость вмещающих пород чаще всего значительно ниже, чем углей. Разрывные нарушения, образовавшиеся в условиях растяжения, являются открытыми и способствуют миграции газов к земной поверхности /сбросы, большая часть взбросов/. Экранирующие разрывы, препятствующие перемещению газов, возникли в результате сжимающих напряжений /надвиги; продольные по отношению к залеганию пластов согласные взбросы/. В Донбассе зоны высокой матаносности в основном приурочены к флексурам и надвигам, не имеющим открытого сообщения с дневной поверхностью.

Влияния литологического состава пород кровли и почвы на газоносность угольного пласта заключается в том, что преобладание в угленосной толще слабопроницаемых глинистых пород способствует повышенному содержанию газов в угле, а наибольшее распространение рыхлых или сильнотрещиноватых отложений - миграции газов. Повышение степени метаморфизма пород приводит к снижению газопроницаемости и сохранению метана в угольных пластах.

Угленасыщенность угленосной толщи /отношение суммарной мощности угольных пластов к мощности всей угленосной толщи /непосредственно связана с газоносностью угольных пластов и вмещающих пород.

Мощные и слабопроницаемые покровные отложения препятствуют дегазации угленосной толщи. В зоне открытых разрывных нарушений под такими отложениями нередко образуются значительные скопления горючего газа.

Магматическая деятельность, проявившаяся в угленосной толще, приводит к повышению общей газоносности углей и пород за счет дополнительного привноса газа, возрастания степени метаморфизма углей под влиянием привнесенной теплоты /контактовый метаморфизм/. При отсутствии покрывающих газоупоров повышение температуры угленосной толщи за счет эндогенной теплоты нередко приводит к дегазации угля.

Петрографический состав углей определяет их сорбционную способность. Возрастание газоносности с увеличением массовой доли фюзинита отчетливо выражено в углях марок от газовых до коксовых. Метаносность маловосстановленных углей /угли, обогащенные кислородом; в золе отношение кислотных оксидов к основным более единицы /выше, чем у вос­становленных, и эти различия могут достигать 5-10 м³/т.

Метаморфизм благоприятствует повышению газоносности углей и количество первоначально образовавшихся газов прямо зависит от степени углефикации растительного вещества /от 3-6 м³/т для длиннопламенных углей до 40 м³/т для полуантрацитов и низкометаморфизованных антрацитов/. Исключение составляют антрациты высокой степени метаморфизма, в которых содержание метана резко /до сотых долей кубического метра на тонну/ снижено и это явление пока не имеет однозначного научного объяснения. По мере возрастания степени метаморфизма сорбционная способность углей увеличивается, а газопроницаемость снижается. На низких стадиях метаморфизма /угли марок Г-К/ это явление в наибольшей мере проявляется в фюзинитовых углях, на высоких - в витринитовых /рис.26/. Сорбционная метаноемкость у контактово-метаморфизованных углей выше, чем у регионально-метаморфизованных.

Рост газоносности угольных пластов с глубиной объясняется слабой естественной дегазацией глубоких горизонтов, снижением газопроницаемости массива под воздействием возрастающего геостатического давления и более высокой стадией метаморфизма. Чаще всего газоносность угольных пластов ниже зоны газового выветривания подчиняется гиперболической зависимости.

Обводненность угленосных отложений в одних случаях снижает газообильность пород, так как циркулирующие подземные воды растворяют и выносят углеводороды, в других - препятствует проникновению в них газов, мигрирующих с глубины. Например, газообильность необводненной части пласта K₂, разрабатываемого на восточном крыле шахты 5 им.Ленина, составляет 25, 7 м³/т, тогда как газообильноcть обводненной части на западном крыле - 13, 5 м³ /т.

Газовая зональность угленосной толщи заключается в закономерной смене газов различного состава по вертикали сверху вниз. В бассейнах, в которых угольные пласты выходят непосредственно на поверхность или под хорошо проницаемые для газа покровные отложения, проявляется полная газовая зональность, состоящая из четырех зон по ГД. Лидину /рис.27/ или из пяти зон по А.И.Кравцову.

Самая верхняя зона - зона азотно-углекислых и углекисло-азотных газов - установлена на всех месторождениях мира. В метаноносных районах глубина ее распространения от 30-60 м /пологое залегание/ до 300-400 м /крутое залегание/, в неметаноносных - до 300 м. Зона метаноазотных газов обнаружена в большинстве угольных бассейнов. Ее нижняя граница проходит на глубине до 300 м. В районах с затрудненной миграцией газов она либо слабо выражена, либо отсутствует. Зона азотно-метановых газов выявлена во всех угольных бассейнах, где известны хотя бы слабые проявления метана. Ее нижняя граница не всегда четко устанавливается. Мощность зоны - десятки-сотни метров.

Перечисленные верхние газовые зоны объединяются в зону газового выветривания. Зона метановых газов характеризуется содержанием метана более 80%. Метаноносносгь угольных пластов от 2-3 м³/г для слабометаморфизованных углей до 5-7 м³/т для антрацитов, давление газов в угольном пласте - 0, 1-0, 2 МПа, метанообильность выработок - 2-3 м³/г. Ее нижняя граница опускается вместе с угленосными отложениями. Количество метана в угле возрастает с увеличением глубины. Максимальная метаноемкость изменяется от 20-25 м³/т в слабометаморфизованных углях до 35-40 м³/т в антрацитах.

В угольных бассейнах, в которых угольные пласты перекрыты непроницаемыми отложениями, зоны газового выветривания, сложенные углекислым газом, отсутствуют и сразу под покровными отложениями в угленосной толще существуют зоны азотно-метановых и даже метановых газов. Если процессы выветривания и дегазации развиты интенсивно, самые нижние зоны могут отсутствовать. Например, в Подмосковном буроугольном бассейне, где пласты угля залегают на небольшой /десятки метров/ глубине, газы представлены атмосферными углекислым газом и азотом. В зонах крупных тектонических разрывов, вдоль которых осуществляется подъем углекислого газа глубинного происхождения, последний преобладает, так как способен более активно, чем азот и метан, сорбироваться углем и растворяться в подземных водах.

Между азотными и метановыми газами иногда /в Донбассе, Караганде/ существуют локальные /десятки метров по падению/ зоны с невысокой концентрацией сероводорода /H₂S и сернистого ангидрида SO₃. Присутствие этих газов объясняется десульфатизацией подземных вод или разложением сульфидных минералов.