книги / Механизм образования очагов газодинамических явлений в соляном породном массиве
..pdfРис. 3.12. Графики зависимости коэффициентов активности (уг)
водорастворениых газов от ионной силы (/) раствора NaCl
при температуре 25 °С [164]
Таким образом, результаты выполненных исследований убедитель но показали, что источниками свободных газов в очагах ГДЯ могли слу жить газонасыщенные водные растворы, мигрировавшие в толще пород. Дегазация газонасыщенных водных растворов происходила условно в две стадии. Первая стадия дегазации включала выделение растворен ных газов в свободную фазу за счет снижения пластового давления вод ных растворов. При этом объем газов, выделявшихся из раствора в сво бодную фазу, был пропорционален разности пластовых давлений в об ласти питания и разгрузки действовавшей гидродинамической системы. На второй стадии дегазация газонасыщенных водных растворов проис ходила вследствие роста их минерализации при растворении соляных
пород сильвинитовой и карналлитовой зон. При достижении водными растворами предела насыщения солями в свободную фазу могло выде ляться до 90 % растворенных газов. Компонентный состав свободных газов очагов ГДЯ будет определяться в основном величиной коэффици ентов активностей растворенных газов. Максимальное значение коэф фициента активности среди растворенных газов имеет азот, поэтому
ив очагах ГДЯ его содержание должно быть превалирующим.
3.5.Механизм образования очагов газодинамических явлений
Вобщем случае миграция водных растворов происходила в субверти кальном направлении (снизу вверх). Однако вследствие ярко выраженной анизотропии фильтрационных свойств соленосной толщи латеральное на правление миграции водных растворов преобладало над вертикальным. Это, например, четко прослеживается по характеру распределения первич ных и вторичных (эпигенетических) пород пласта Б в пределах шахтных по лей рудников БКПРУ-2 и БКПРУ-3 (рис. 3.13 и 3.14). Направление мигра ции водных растворов внутри соляной толщи накладывало свои особенно сти на положение газовых скоплений. Давно замечено, что внезапные выбросы соли и газа при отработке пласта АБ тяготеют к контурам развития карналлитовых пород пласта Б. Это характерно в целом для шахтных полей рудников БКПРУ-2, БКПРУ-3 и СКПРУ-3. Максимальное количество вы бросов соли и газа произошло вблизи контура развития карналлитовых по род, но несколько смещено в сторону последних (рис. 3.15). Возможная причина этого явления может быть логично объяснена в соответствии с ра ботой трехзонной функциональной системы метасоматоза. Модельные схе мы трехзонной системы метасоматоза, используемые при разработке меха низма образования очагов ГДЯ различного вида в условиях Верхнекамско го месторождения, представлены на рис. 3.16. Наиболее полно механизму образования очагов газодинамических явлений вблизи контуров карналли товых пород отвечает модельная схема, представленная на рис. 3.16 (I). В этом случае свободный газ будет аккумулироваться в микрополостях и пус тотах между метасоматитом и внешней стенкой проводника водных раство ров. Фактически механизм образования очагов ГДЯ мог выглядеть следую щим образом. Миграция газонасыщенных водных растворов могла проис ходить из подсолевых отложений в соляную толщу в субвертикальном направлении (снизу вверх). Однако вследствие ярко выраженной анизотро пии фильтрационных свойств соляной толщи латеральное направление ми-
35
-150 |
-100 |
-50 |
0 |
50 |
100 |
150 |
200 |
250 |
300 |
Расстояние от контакта, м
Рис. 3.15. Гистограмма распределения количества газодинамических явлении относительно контакта пестрого сильвинита пласта Б с породами смешанного и карналлитового состава
лась как вниз, от проводника, так и вперед, по направлению движения вод ного раствора. Разложение карналлита сопровождалось дефицитом твердой фазы, так как агрессивность водного раствора относительно карналлита равняется примерно единице. В результате этого вновь образованная поро да — пестрый сильвинит — вблизи контакта с карналлитовой породой об ладает повышенной пористостью. На участках полного разложения карнал лита пласта Б структурные связи между зернами минералов под воздейст вием литостатического давления и продолжающейся миграции растворов восстанавливались и порода становилась монолитной, практически лишен ной крупных пор. По мере продвижения фронта сильвинитизации (забой ной, обменной и конденсационной зон системы метасоматоза) участки с различной пористостью перемещались в том же направлении, что и мигри рующие растворы. Наибольшее количество очагов газодинамических явле ний образовывалось на участках развития более пористых пород при «зату хании» процесса сильвинитизации, т. е. вблизи контакта пестрого сильви нита с карналлитовой породой. Этим и объясняется смещение максимума частоты внезапных выбросов соли и газа в сторону карналлитовых пород.
в свободном пространстве газа, он будет сжиматься и его давление может достигать весьма значительной величины. Процесс воздействия внутрисоляных газонасыщенных водных растворов в динамике можно представить следующим образом: образование трещины — создание депрессии давле ния флюидов — дегазация флюида (выделение растворенных газов в сво бодную фазу) — подток новых объемов растворов из глинисто-ангидрито вых пород — образование нового объема полости трещины — дегазация нового объема растворов — увеличение объема жилы волокнистых мине ралов — рост давления свободных газов в заполняемой трещине (собст венно формирование очага ГДЯ).
Механизм образования очагов таких видов ГДЯ, как обрушения по род кровли и разрушения пород почвы, сопровождающиеся газовыделениями, в условиях Верхнекамского калийного месторождения может быть представлен модельными элементарными .схемами трехзонных систем метасоматоза (тип I и III, см. рис. 3.16). Источником свободных газов в очагах ГДЯ служили газонасыщенные водные растворы. Дегаза ция водных растворов происходила за счет падения пластового давления и роста их минерализации при миграции в соленосной толще.
Условия образования очагов газодинамических явлений были сле дующими: зоны поглощения гидродинамической системы располага лись в пределах разрабатываемых пластов или во вмещающих породах, водные растворы были газонасыщенными, функциональная система ме тасоматоза была «экранированной». Очаги газодинамических явлений сохранялись длительное геологическое время при условии превышения градиентом фильтрации величины градиента давления газа в системе пустот. Таким образом, очаги газодинамических явлений на Верхнекам ском месторождении представляют собой следы некогда действовавших гидродинамических систем, водный раствор которых содержал газ. Эти очаги формировались на стадии катагенеза, когда вмещающие породы были непроницаемыми и могли сохранять скопления свободного газа от рассеивания в течение длительного геологического времени.
3.6. Выводы
Результаты исследований механизма образования очагов газодина мических явлений в соляном породном массиве Верхнекамского место рождения калийных солей позволяют сделать следующие выводы.
1. В условиях Верхнекамского месторождения калийных солей ме ханизм образования очагов ГДЯ представляет собой единый процесс тектогенеза, миграции газонасыщенных водных растворов, эпигенетиче ских преобразований и аккумуляции газов в соляном породном массиве. Образование очагов ГДЯ происходило в катагенетическую стадию фор мирования месторождения, когда гидродинамический режим характери зовался блочно-тектоническим типом разгрузки седиментационных вод подсолевых отложений и глинистых отложений соленосной толщи. Дви жущей силой этой миграции являлось повышенное давление водных растворов. Путями транзита газонасыщенных водных растворов в соле носную толщу могли служить системы трещин портьерных складок или системы трещин, образующиеся при формировании флексурных скла док. Процессы миграции газонасыщенных водных растворов имели пульсационный характер, так как образование проводников в сильной степени зависело от интенсивности движений блоков фундамента отно сительно друг друга.
2. Миграция газонасыщенных водных растворов в соленосной тол ще Верхнекамского месторождения происходила в субвертикальном и латеральном направлениях. Путями миграции служили секущие и со гласные трещины, трубчатые каналы, слои и прослойки соленосных глин, микротрещины и межзерновые границы. Образование очагов ГДЯ происходило в процессе галогенного метасоматоза, сопровождавшегося эпигенетическими преобразованиями, выделением растворенных газов в свободную фазу и их аккумуляцией в системе пустот. Функциональная система метасоматоза может быть представлена трехзонной моделью. Условия образования очагов газодинамических явлений были следую щими: зоны поглощения гидродинамических систем располагались в пределах разрабатываемых пластов или в непосредственной близости во вмещающих породах; водные растворы содержали газ; функциональ ная система метасоматоза была «экранированной».
IV. |
М ЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ |
ОЧАГОВ ГАЗОДИНАМ ИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
В УСЛО В И ЯХ СТАРОБИНСКОГО
КАЛИЙНОГО М ЕСТОРОЖ ДЕНИЯ
4.1. Геологические условия возникновения газодинамических явлений
Практика ведения горных работ на III калийном горизонте Старобинского месторождения показала, что в подавляющем большинстве случаев газодинамические явления приурочены к геологическим нару шениям. Газодинамические явления на месторождении происходят в ви де внезапных и искусственно инициированных выбросов соли и газа, обрушений пород кровли, сопровождающихся газовыделениями, и от жимов призабойной части пород, сопровождающихся звуковыми эффек тами, разрушением и выносом разрушенной породы в горную выработ ку. Внезапные и искусственно инициированные выбросы соли и газа происходят только при вскрытии горными выработками локальных гео логических нарушений, получивших на месторождении название мульд погружения. Термин «мульда погружения» требует некоторого уточне ния, ибо в соответствии с применяемой в геологии терминологией муль да есть не что иное, как замыкающаяся книзу поверхность. Термин «мульда» используется для тех замыкающихся книзу поверхностей, к ко торым термин «синклиналь» в его истинном стратиграфическом значе нии не может быть применен [111]. В связи с этим в термине «мульда по гружения» дополнительное уточнение «погружения» является лишним и вносит некоторую неопределенность в этимологию этого термина. По этому в дальнейших рассуждениях будем использовать только термин «мульда». Мульды в условиях III калийного горизонта представляют со бой уникальные геологические нарушения, имеющие относительно не-