книги / Механизм образования очагов газодинамических явлений в соляном породном массиве

II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ М ЕХАНИЗМ А

ОБРАЗОВАНИЯ ОЧАГОВ ГАЗОДИНАМ ИЧЕСКИХ

ЯВЛЕНИЙ В СОЛЯНОМ ПОРОДНОМ МАССИВЕ

2.1. Основные понятия и положения флюидогеодинамики

Анализ существующих представлений о механизме образования очагов ГДЯ на различных калийных месторождениях мира показал, что очаги этих явлений располагаются на путях миграции различных газо­ носных флюидов (водные растворы, битумы, магмы и др.) внутри соля­ ной толщи в эпигенетическую стадию ее формирования. Этот факт сви­ детельствует о том, что проблема может быть решена в рамках флюидогеодинамической парадигмы, сформулированной в ряде научных работ [96,106-113]. В связи со спецификой этой области знания кратко остано­ вимся на основных понятиях и положениях современной флюидогеоди­ намики (ФГД), которые окажутся весьма полезными в наших дальней­ ших рассуждениях. Флюидогеодинамика — это раздел динамической геологии, изучающей процессы механической миграции флюидов в не­ драх с целью установления закономерностей и геологической роли этой миграции [96, с. 8]. Физическими предпосылками флюидогеодинамики являются: механическая напряженность горных пород, обусловленная действием гравитационных и тектонических сил; неодинаковая теку­ честь и плотность геологических тел.

Из весьма широкого круга задач, решаемых современной флюидогеодинамикой, значительный интерес представляет оценка геологической роли миграции флюидов в механизме образования очагов ГДЯ и разра­ ботка на основе этой оценки региональных и локальных методов прогно­ зирования результатов миграции флюидов как зон, опасных по газодина­ мическим явлениям. Остановимся на определяющих понятиях флюидо­ геодинамики, к которым относятся: флюид, миграционное напряжение и флюидодинамическая система.

Термин «флюид» (от лат. fluidus — текучий) был введен в науку в XVII веке для обозначения гипотетических терминов, с помощью кото­ рых объясняли некоторые физические явления. С развитием науки тер­ мин «флюид» вышел из употребления физиков, химиков и стал исполь­ зоваться в основном геологами для объяснения происхождения горных пород. Впоследствии содержание понятия «флюид» изменялось, и в на­ стоящее время большинство геологов этим термином обозначают гидро­ термальные растворы. При этом добавляют к термину различные опре­ деления: металлоносный флюид, рудоносный флюид, рудообразующий флюид и т. п. [114—116]. Отечественные геологи термин «флюид» связы­ вают в основном с определением «рудоносный» и понимают под ним «газообразные или жидкие растворы, переносящие рудные компоненты из магматического рудоносного очага» [117]. Позднее этому термину да­ ли несколько расширенное толкование: «флюид — жидкие и газообраз­ ные легкоподвижные компоненты магмы или циркулирующие в земных глубинах насыщенные газами растворы» [118]. Однако в научной лите­ ратуре по геологии термин «флюид» имеет множество значений, при этом одни исследователи пытаются сузить, а другие — расширить это понятие. Приведем несколько примеров определения этого термина. Так, очень краткое определение «флюид это жидкость или газ» дано К. Гилленом. Под термином «флюид» А. Е. Гуревич понимает воду, нефть и газ [107]. Значительно большее содержание в понятие «флюид» вкладывал профессор А. Е. Ходьков, который к флюидам относил газ, воду, нефть, илы, соль и известняки [120-121]. Здесь важно отметить, что последние являются кристаллическими веществами. Вероятно, флю­ ид должен определяться не через химический состав вещества или его фазовое состояние, а через какую-то общую характеристику всех под­ вижных сред. Так, профессор Г. Л. Поспелов предлагал принять опреде­ ление «флюид» в качестве «некоторого общего термина, которым можно было бы обозначать любую текучую среду, способную двигаться сквозь толщу земной коры в силу механических свойств, отличных от свойств твердых тел» [122]. В дальнейших рассуждениях под термином «флю­ ид», следуя д. г.-м. н. А. И. Кудряшову, будем понимать геологическое тело, характеризующееся состоянием текучести, вызванным внешней силой, время непрерывного действия которой превышает время релакса­ ции данного вещества [96, с. 24].

Миграционное напряжение — это перепад потенциальной механи­ ческой энергии между двумя точками, определяющий возможность, на­

правление и интенсивность перемещения флюида [96, с. 78]. При поло­ жительных значениях миграционного напряжения флюид перемещается вверх, при отрицательных — вниз. Понятие флюидодинамической сис­ темы в физико-геологическом механизме образования очагов газодина­ мических явлений следует считать определяющим. Как будет видно дальше, именно с процессами функционирования в недрах флюидодина­ мических систем (ФДС) связан механизм образования очагов ГДЯ на различных месторождениях полезных ископаемых. Флюидодинамиче­ ская система — это геологическое тело, механически и химически взаи­ модействующее с вмещающими породами, представленное флюидом, все части которого гидравлически связаны между собой и находятся в упорядоченном движении под действием миграционного напряжения [96, с. 92]. Полная ФДС состоит из трех частей: питания, транзита и раз­ грузки. Область питания— это место, где происходит стягивание или ге­ нерация, а также поступление новых объемов флюидов и задается потен­ циал ФДС. Область разгрузки — это место, где происходит рассеяние или поглощение, а в отдельных случаях и уничтожение флюида. Для об­ ласти разгрузки является характерным выход частиц флюида из-под влияния силового поля данной ФДС. Область транзита — участок дви­ жения флюида от области питания к области разгрузки вдоль силовых линий ФДС без существенного изменения расхода потока. Количество областей ФДС может быть различным, например, может быть несколько областей питания или разгрузки. В неполных ФДС отсутствует область транзита, иногда области в системе могут пространственно совпадать.

2.2.Классификация флюидодинамических систем

Внастоящее время известна классификация ФДС по величине вязко­ сти флюидов [96, с. 93]. По этому признаку выделяются четыре типа

проявления ГДЯ при подземной разработке месторождений различных полезных ископаемых позволяет предполагать участие в образовании их очагов всех перечисленных типов флюидодинамических систем. Следу­ ет отметить, что характерной особенностью газодинамических систем является отсутствие следов перемещения газов в недрах. Этот факт

не позволяет достаточно обоснованно использовать газодинамические системы в теории физико-геологического механизма образования очагов ГДЯ в соляном породном массиве. Из известных классов гидродинами­ ческих систем для разработки теории физико-геологического механизма образования очагов ГДЯ наибольший интерес представляют элизионные и гидротермальные системы. Возможные модели таких систем представ­ лены на рис. 2 .1. Несомненно, что в природе гидродинамических систем значительно больше, однако рассмотрение всех возможных моделей вы­ ходит за рамки решаемой задачи. Модель I является наиболее общей мо­ делью гидродинамической системы и состоит внизу из области питания (корневой зоны), области транзита (динамического ствола), обладающей сложным гидродинамическим режимом проходного потока, и навер­ ху — из зоны разгрузки (рассеяния, уничтожения). Зона разгрузки в мо­ дели I является областью слияния гидродинамической системы с систе­ мой грунтовых вод, что означает переход к режиму грунтовых вод. Для теории физико-геологического механизма образования очагов ГДЯ мо­ дель I представляет интерес только в познавательном плане. Значитель­ ный теоретический и практический интерес представляет модель И, ко­ торая по своему строению также является трехчленной и состоит из об­ ластей питания, транзита и разгрузки. Однако в этом случае область транзита (динамического ствола) не доходит до зоны грунтовых вод, и зона разгрузки развивается как подвешенная зона обводнения и загазовывания пород. Этот случай, вероятно, характерен для маломощных гид­ родинамических систем с локальными областями питания и незначи­ тельными объемами флюида. Теоретически при функционировании та­ кой гидродинамической системы и газонасыщенном флюиде в соляном породном массиве в области поглощения могли образоваться очаги газо­ динамических явлений. В настоящее время скрытые очаги разгрузки ма­ ло изучены, и о характере динамики флюидов на этих участках можно говорить, лишь исходя из общих теоретических представлений. В соля­ ном породном массиве такой скрытый очаг может быть представлен рас­ щеплением основной проводящей трещины на множество мелких, ино­ гда образующих структуру типа «конского хвоста». Если зона разгрузки попадает в область развития пород с хорошей водопроводимостью и ма­ лым давлением насыщающих их флюидов, то поток рассеивается в таких породах, теряя скорость и общее направление движения. Рассеиваясь в больших объемах пород с высокой пористостью и проницаемостью, он прекращает свое существование. В случае концентрации очага поглоЩе-

EES' ESI2ШШ3\ZH4ЕГЭ5[ZH6

Рис. 2.1. Модельные схемы гидродинамических систем: 1 — земная поверхность; 2 — корневые зоны (питание); 3 — зоны рассеяния, поглощения, уничтожения; 4 — направление сбора, растекания и течения в главной фильтрующейся колонне;

5 — миграция веществ в корневых зонах и в рассеянном потоке, фильтрующем первичные ореолы рассеяния; б — номера моделей

ния на локальном участке в консолидированных породах с низкими по­ ристостью и проницаемостью могла формироваться квазиизолированная система, в которой давление флюида препятствовало уплотнению и уп­ рочнению пород. Такая квазиизолированная система могла сохраняться очень длительное геологическое время. В модели III гидродинамическая система лишена области транзита (стволовой зоны). Ее область питания может почти сразу переходить в область рассеяния. Модель III также представляет определенный интерес для теории физико-геологического механизма образования очагов ГДЯ в соляном породном массиве. Гид­ родинамическая система в модели IV представлена одной областью пи­ тания. В этом случае в кинетическом отношении она может рассматри­ ваться как статическая, так как все перегруппировки флюидов и веществ происходят в пределах области питания. В модели IV динамика флюидов пока труднообъяснима, и ее использование в теории физико-геологиче­ ского механизма образования очагов ГДЯ маловероятно. Гидродинами­ ческая система в модели V может обладать не одной, а двумя и более об­ ластями питания. В этом случае область транзита пронизывает несколь­ ко областей питания. Модель V свойственна гидродинамическим системам, в которых поступающий снизу флюид проходит сквозь зоны метаморфизма, где происходит активизация и дополнительная мобили­ зация флюидов. Если процессы «стягивания» флюидов, характерные для областей питания, повторяются на пути восхождения потока, то гидро­ динамическая система может приобрести бусовидный, многокорневой характер [112, с. 33]. Возможно, что модель V не является редкой и мо­ жет оказаться весьма полезной в теории механизма образования очагов газодинамических явлений.

Вулканодинамические системы получили свое название по ярко вы­ раженному явлению разгрузки магмы и грязей на поверхности земли — вулканизму. Состав флюидов, характер движущих сил, геологические ус­ ловия проявления и другие признаки позволяют разделить вулканодина­ мические системы на магмодинамические и пелодинамическис (от греч. pelos — грязь, глина) [96, с. 116]. Магмодинамические системы представ­ ляют значительный интерес для теории механизма образования очагов га­ зодинамических явлений не только в соляном породном массиве. В на­ стоящее время однозначно установлена связь очагов газодинамических явлений в калийных рудниках ФРГ с областями функционирования маг­ модинамических систем. С последствиями действия в недрах магмодина­ мической системы связан самый крупный в мире выброс соли и углеки­

слого газа в 1984 г. на руднике «Хатторф» в Тюрингии. Тогда было выбро­ шено 110 000 т соли и 2,3 млн м3 углекислого газа. Каждые десять лет в калийных рудниках ФРГ число выбросов соли и углекислого газа воз­ растает примерно в 2-3 раза за счет смещения фронта горных работ на участки месторождений с областями активной вулканической деятельно­ сти в неогеновый период [123]. Для условий Партизанского угольного ме­ сторождения и угольных месторождений о. Сахалин (Бошняковского и Лесогорского) также установлена связь выбросов угля и газа с участка­ ми воздействия магмы на угольные пласты [124]. На о. Сахалин магмати­ ческие породы представлены секущими и пластовыми телами габбро-дио­ ритов, андезитов и сиенит-аплитов. Внедрение магматических расплавов усложнило структуру и вызвало термальный метаморфизм угольных пла­ стов. При этом происходило образование больших количеств метана, во­ дорода, углекислого газа и тяжелых углеводородов. Газ, образовавшийся при термальном метаморфизме, локализовался в угольных пластах и вме­ щающих породах. Значительная часть его мигрировала в атмосферу, так как внедрение расплавов происходило в момент растяжения угленосной толщи и разрывные нарушения были наиболее проницаемыми. Внедрение магматических расплавов, вероятно, сопровождалось также поступлени­ ем магматогенных газов, включающих углекислый газ, водород, азот, ме­ тан и тяжелые углеводороды. В составе газа, извлеченного из магматиче­ ских пород, присутствовали: углекислый газ — до 18,8 %; водород — до 62,5 %; метан в сумме с тяжелыми углеводородами — до 14,6 %; азот — до 4,1 %. Кроме того, магматическая деятельность определила своеобраз­ ные условия локализации газа. Приконтактные зоны интрузий сильно раз­ биты трещинами и в случае отсутствия их выхода на поверхность являют­ ся газовыми коллекторами. К этим зонам приурочены активные газовыде­ ления в шахтах и при бурении разведочных скважин с поверхности. Так, в 1970 г. внезапный выброс угля и газа в забое квершлага на горизонте -40 м на шахте Бошняково произошел именно при приближении к интру­ зивному телу. В приконтактных зонах происходят суфлярные газовыделения. При этом вместе с метаном может выделятся водород, представляю­ щий особую опасность при ведении горных работ. С вулканическими ин­ трузиями связано большинство внезапных выбросов угля и углекислого газа в шахтах штата Новый Южный Уэльс в Австралии, разрабатываю­ щих угольный пласт Bulli Иллаварской угольной свиты [125].

Флюиды литодинамических отличаются высокой вязкостью (г| > 103 Мпа-с) и могут быть представлены любой горной породой, нахо­

дящейся под длительным воздействием тангенциальных напряжений. Разнообразие литодинамических систем определяется как свойствами самих флюидов, так и геологическими условиями механической мигра­ ции этих флюидов. Литодинамические системы представляют значи­ тельный интерес для теории физико-геологического механизма образо­ вания очагов ГДЯ, которые происходят при ведении подземных горных работ в соляных куполах США, Польши и Казахстана. Несомненно, что механизм образования очагов газодинамических явлений в породах со­ ляных куполов определялся закономерностями возникновения, развития и исчезновения литодинамических систем.

Для флюидодинамических систем характерно пространственное и временное совмещение миграции различных по природе флюидов, на­ пример подземных вод, нефти и газов. Этот факт находит прямое под­ тверждение при формировании очагов ГДЯ в соляных куполах. Флюидо­ динамические системы являются моделями реальных процессов мигра­ ции различных флюидов. В то же время эти модели, пусть даже упрощенные, дают нам знание общих причин, механизмов и геологиче­ ской роли миграции флюидов. Концепция современной флюидогеодинамики позволяет объективно решать частные вопросы и познавать такие сложные образования, как очаги газодинамических явлений. Познание природы очагов ГДЯ дает тот исходный материал, который необходим как для надежного прогнозирования опасных зон, так и для эффективно­ го управления газодинамическими процессами при ведении горных ра­ бот. Именно широкие возможности флюидогеодинамики предопредели­ ли ее использование в процессе исследования механизма образования очагов ГДЯ в соляном породном массиве.

III. М ЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ

ОЧАГОВ ГАЗОДИ НАМ И ЧЕСКИ Х ЯВЛЕНИЙ

ВУСЛОВИЯХ ВЕРХНЕКАМ СКОГО КАЛИЙНОГО

МЕСТО РО Ж ДЕН И Я

3.1.Геологические условия проявления газодинамических явлений

Вусловиях Верхнекамского месторождения калийных солей меха­ низм образования очагов ГДЯ рассматривается как единый процесс тектогенеза, миграции газонасыщенных водных растворов, эпигенетиче­ ских преобразований и аккумуляции газов в соляном породном массиве.

При разработке на месторождении сильвинитовых пластов Кр II, АБ

икарналлитового пласта В происходят газодинамические явления сле­ дующих видов: внезапные выбросы соли и газа; внезапные обрушения пород кровли, стенок выработки, разрушение пород почвы, сопровож­ дающиеся газовыделением; явления комбинированного типа — разру­ шение пород кровли или почвы с последующим развитием выброса по­ род и газа. Места газодинамических явлений при отработке пласта Кр II характеризуются наличием локальных зон замещения сильвинитовых слоев линзами неправильной формы. Линзы, как правило, выполнены каменной солью и глиной. Эти зоны замещения на рудниках БКПРУ-2

иБКПРУ-3 приурочены к участкам интенсивного смятия пласта Кр II, к осевым частям крупных складок или флексурообразных перегибов (рис. 3.1). Слоистость пород в таких местах нарушена. Пространствен­ ное распространение таких зон замещения в пределах шахтных полей не­ равномерное. Они встречаются как одиночными линзами, так и сериями, которые имеют субмеридианальное или субширотное простирание [126]. Ширина зоны распространения серий линз достигает 100-150 м. Вверх по разрезу влияние этих зон замещения находит отражение в пере-