Особенности газодинамических зон Воркутского месторождения

УДК 622.831 Л. С. Вольпова

ОСОБЕННОСТИ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЗОН ВОРКУТСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Рассмотрены особенности тектоники Воркутского месторождения, анализ которой позволил выделить региональную газодинамическую зону. Зона имеет сложное и неоднородное строение и содержит более мелкие локальные зоны. Рассмотрена взаимосвязь газодинамической активности с горногеологическими условиями. Представлены особенности геохимии газа выбросоопасных объектов по сравнению с невыбросоопасными.

Ключевые слова: Печорский угольный бассейн, газодинамические явления, выбросоопасные объекты.

в я ечорский угольный бассейн расположен в северной час-ІЛ. ти Печорского краевого прогиба Уральской геосинкли-нальной области.

Газодинамические явления - выбросы угля и газа происходят только на Воркутском месторождении, приуроченном к Воркут-ской брахисинклинали (мульде), входящей в состав Косью-Роговской впадины Печорского прогиба.

Воркутская мульда имеет асссиметричное строение, углы падения пород меняются от 5-7 на юге до 17-30 на западе и востоке и 40-50 на севере, моноклинальное падение осложняется разрывными и складчатыми нарушениями. Шахты расположены по периметру Воркутской мульды на западном, северном и восточном крыльях. Южное крыло не разрабатывается (разведочный участок будущего п.ш.33). Газодинамические явления - выбросы угля и газа происходили на шахтах западного крыла (ш.ш.Комсомольская, Заполярная), восточного (ш. Воркутинская) и на северо-восточном ее замыкании(ш Северная) на основных рабочих пластах - Мощном, Тройном, Двойном, Первом, Пятом. Наибольшее количество выбросов было на пласте Мощном (ш.Комсомольская), который разрабатывается без защиты. За линией расщепления Мощного все угольные пласты разрабатываются с защитным пластом, что не дает представления об истинной их газодинамической опасности.

На северном крыле мульды, на ш.ш. Промышленная и Центральная, разрабатывающих пласт Мощный, несмотря на значи-

тельную глубину разработки и отсутствие защитного пласта, выбросы не происходили. К настоящему времени оба шахтных поля полностью отработаны до гл.950м.

В С-В направлении мульду пересекает система крупных разрывов, образующих вместе с оперяющими и сопутствующими более мелкими нарушениями разрывные зоны(взбросо-надвиги, взбросы и реже сбросы). Эти зоны, расстояние между которыми 3-7 км, разбивают мульду на ряд крупных тектонических блоков С-В простирания.

Систему разрывов связывают с вертикальными движениями блоков фундамента по глубинным разломам. Линии расщепления угольных пластов в целом совпадают с крупными разрывами и отражают границы блоков с различными вертикальными движения-ми(1).

Тектоника Воркутского месторождения имеет ряд особенностей:

а) присутствие тектонически «активных» палеозон, как зон контрастных движений при угленакоплении, которые совпадают в современном структурном плане с крупными разрывными нарушениями, зонами смятия, повышенной трещинноватости и связываются с глубинными разломами, а также зон стабильного угленако-пления( 2 )..

б) начало формирования крупных взбросов «Д-Е» и «З-К» связывают с периодом угленакопления, о чем свидетельствуют изменение мощности осадков и совпадение линии расщепления пласта Мощный с разрывной зоной.

в) складчатые и разрывные нарушения тесно связаны. Участки с интенсивной складчатостью и малым количеством разрывных нарушений отсутствуют. При увеличении общей дислоцированности разрывные нарушения преобладают над складчатыми.

г) разрывные нарушения имеют сложное изменчивое строение

- изменяются элементы залегания сместителей по простиранию, взбросы переходят в надвиги и даже сбросы, развито сочетание нескольких субпараллельных или разнообразно ориентированных поверхностей смещения, что позволяет говорить о зоне сместителей.

д) концентрический тип складок, для которых характерно широкое распространение послойных и внутрислойных смещений.

Особенности тектоники указывают на длительное унаследованное формирование крупных нарушений, многократно возоб-

новляемые деформации сдвиго-сжатия с образованием послойных и внутрислойных смещений, изменчивость направления тектонических движений с образованием зон сместителей при сохранении типа деформации( 1).

На месторождении можно выделить крупную региональную газодинамическую зону (ГЗ) линейного типа, связанную с системой разрывных нарушений, пересекающих Воркутскую. мульду в С-В направлении. ГЗ занимает большую срединную часть структуры и включает разные типы разрывных нарушений - взбросо-надвиги, надвиги, взбросы и даже сбросы К северу от системы разрывных нарушений, на северном крыле мульды

(п.п.ш.ш.Промышленная и Центральная) газодинамические явления не происходили. К югу от системы разрывов(разведочный участок п.ш. 33, не разрабатывается) не характерно проявление деформаций сдвиго-сжатия(зон смятия, перетертого угля), а преобладают зоны дробления, что позволяет прогнозировать отсутствие там газодинамических явлений.

ГЗ имеет сложное и неоднородное строение и содержит более мелкие локальные ГЗ.

Внутренняя структура региональной ГЗ и геологические условия проявления выбросов изменяются с запада на восток. В ее западной части, на С-З крыле мульды(п.ш. Комсомольская), выбросы связаны непосредственно с крупным взбросо-надвигом «Д-Е» и осложняющими его флексурами и происходят при подходе к взбросо-надвигу со стороны висячего крыла на расстоянии 100-500м от нарушения, в пределах флексурных складок Д1,Д2,Д3 и т.д., сопровождающих взбросо-надвиг, в зонах размыва песчаником кровли пласта Мощный.

В восточной и С-В части ГЗ, на восточном крыле мульды (ш.ш. Северная и Воркутинская), единая крупная разрывная структура отсутствует и разрывная зона представлена несколькими менее крупными нарушениями - системами взбросов «Ж» и системой разрывов«З-К» того же простирания.

Выбросы угля и газа в этой части не связаны непосредственно с плоскостью крупных разрывных нарушений, а приурочены к зонам повышенной деформации угля с различными геологическими условиями - резкому перегибу крыльев структуры с зоной развития мелких флексур(ш.Северная), зоне выклинивания вышележащего

пласта и местам внедрения песчаников в пласт (ш.ш.40, Капитальная №1), площади развития крепких песчаников в кровле пласта.

При разнообразии геологических условий проявления выбросов всегда сохраняется присутствие прослоев, раздувов, линз перетертого, землистого, сажистого нарушенного угля, часто с увеличением его мощности, т.е. угля определенного типа деформации -сдвиго-сжатия.

Формирование и особенности ГЗ тесно связаны с геотектонической историей Воркутской мульды.

Ее начало можно отнести к периоду угленакопления - появления тектонически «активных» зон и времени зарождения крупных конседиментационных нарушений. Главным этапом формирования ГЗ является основная фаза складчатости - образование брахисклад-ки и осложняющих ее складчатых и разрывных структур С-В направления, а также завершение формирования консидементацион-ных нарушений.

Спецификой Воркутского месторождения по сравнению с Карагандинским и даже Донецким бассейном является длительность и высокая изменчивость формирования разрывных нарушений и разрывных зон, что отразилось и при формировании ГЗ.

Длительное формирование нарушений характеризовалось высокой изменчивостью направления, углов падения и даже видов деформации, что отразилось в изменчивости элементов залегания сместителей по простиранию, неоднократном переходе взбросов в надвиги и даже сбросы, сочетании нескольких субпараллельных или разнообразно ориентированных поверхностей смещения, при этом преобладающим видом деформации оставалось сдвиго-сжатие( 1 ).

Многократно унаследованная деформация структуры угля в условиях сдвиго-сжатия проявилась в широком развитии прослоев «землистого» угля мощностью до 1,2м, раздувов, карманов, линз перетертого, так называемого «выбросоопасного» угля, а в макроскопически прочных разностях - повышенной нарушенности макропористой структуры угля и образования «потенциально выбросоопасного». угля.

В последующие тектонические этапы происходило дальнейшее формирование ГЗ путем возобновляемой деформации угля в условиях сдвиго-сжатия с образованием послойных и внутрислой-ных смещений, при изменчивости направления тектонических

движений и сохранении типа деформации, в условиях затрудненной дегазации угленосных отложений.

В неогене произошло образование ряда новых взбросов в южной части месторождения(Лс, Лю и т.д.), за пределами системы разрывов, для которых не характерны зоны смятия и внутрипла-стовые деформации(т.е. проявление сдвиго-сжатия), а преобладают зоны дробления, что говорит об их образовании в уже литифици-рованных породах. Они не оказали заметного влияния на распределение газа, в некоторых обнаруживаются признаки дегазации. Можно полагать, что эти нарушения не будут представлять угрозу по газодинамическим явлениям.

Неотектоническое развитие представляется, как унаследованный процесс развития ранее заложенных структурных элементов.

Итак, основные особенности региональной ГЗ:

а) длительное унаследованное формирование ГЗ, начиная с уг-ленакопления(Пермь-Триас) и в течении всех последующих этапов геотектонической истории до современных движений в условиях преобладающего сдвиго-сжатия, что создало условия соответствующей деформации угля и сохранности газа.

б) высокая изменчивость разрывной тектоники при формировании как отдельных нарушений, так и всей крупной разрывной зоны, а также многофазность и многоэтапность их формирования, как признаки высокой унаследованной геодинамической нестабильности площади в течении всей геотектонической истории.

в) широкое распространение послойных и внутрислойных смещений, развитие прослоев, раздувов, карманов, линз нарушенного перетертого, так называемого «выбросоопасного» угля.

Эти глобальные особенности региональной ГЗ проявились и в выбросоопасных объектах более мелкого масштаба - в пределах локальной ГЗ( п.ш. Комсомольская) - в структурно-тектонических блоках, угольных пластах, участках пластов в горных выработках.

Основные особенности ГЗ - нарушенность угля, сохранность газа и характер геодинамической нестабильности массива отражают геохимические параметры угольных пластов, включающие 2 системы -геохимию газа (компоненты) и геохимию вмещающего угля(микроэлементы) (3).

Изучалось содержание тяжелых углеводородных газов (ТУ) в составе газов угольных пластов и микроэлементов в углях, внутренние корреляционные связи углеводородных газов и микроэле-

ментов и изменчивость распределения газовых компонентов и микроэлементов угля.

Физическая сущность содержания ТУ, как индикатора нару-шенности фильтрационного пространства, подтверждена специальным опробованием, лабораторными и шахтными экспериментами. Чем больше нарушенность, тем выше газовыделение ТУ.

Содержание микроэлементов в угле, при прочих равных условиях, определяется адсорбционной способностью угля, «рыхлостью» его структуры и также может рассматриваться как индикатор ее нарушенности.

Корреляционные связи, как показало изучение, также отражают степень «рыхлости» - «жесткости» структуры угля и могут рассматриваться как один из индикаторов ее нарушености. Чем больше нарушен уголь, тем шире корреляционные связи внутри системы (3 ).

Изменчивость распределения компонентов в газах угольных пластов, также как и изменчивость микроэлементов в углях является индикатором нестабильности обменно-миграционных процессов и отражает геодинамическую нестабильность объекта в гео-тектектонической истории.

Таким образом, геохимические показатели в комплексе характеризуют нарушенность угля на уровне макропористой структуры, сохранность газа и геодинамическую нестабильность массива (3).

Изучение проведено на массовом материале газового и спектрального опробования угольных пластов ГКН по геологоразведочным скважинам и специального газового и спектрального опробования в горных выработках шахт (3).

Объектами были 3 шахтных поля в С-З и северной части мульды с различным газодинамическим режимом разработки пласта Мощный - п.ш. Комсомольская, где были выбросы и соседние п.п.ш.ш. Промышленная и Центральная, где пласт отработан без выбросов до 950 м.

Анализ восстановленных полей палеонапряжений на этой площади показал различие шахтных полей по устойчивости и ориентации осей Главных напряжений в пространстве, преобладающему типу деформаций, многоэтапности и изменчивости палеонапряжений (4).

На п.ш. Комсомольская восстановленное поле палеонапряжений характеризуется неустойчивым положением осей Глав-

ных напряжений, изменением углов к горизонту от 20 до 70, (что указывает на преобладание деформаций сдвига), многократным наложением и изменением в пространстве, т.е. многоэтапностью и изменчивостью полей напряжений.

На п.п.ш.ш. Промышленная и Центральная восстановленное поле палеонапряжений характеризуется устойчивым положением осей Главных напряжений, их субвертикальным расположением, что говорит о преобладании деформаций одноосного растяжения или сжатия и об отсутствии сдвиго-сжатия, а также о стабильности напряженно-деформирован-ного состояния во времени.

Особенности геохимии газа выбросоопасных объектов по сравнению с невыбросоопасными:

а) более высокое содержание ТУ в составе газов угольных пластов.

По данным горных выработок, газовыделение ТУ из тектонически нарушенного «выбросоопасного» угля, а также из макроскопически прочного «потенциально выбросоопасного» на 11,2 порядка выше, чем из соответствующих разностей невыбросоопасного (5).

б) более широкоразветвленные корреляционные связи компонентов. Углеводороды связаны в группы из 4-5 компонентов, при этом наиболее широкие связи(из 6-8 компо-нентов) обнаруживаются в газах из тектонически нарушенных «выбросоопасных» углей. Структура корреляционных связей компонентов в газах невыбросоопасных углей имеет более узкие группы из 2-4 компонентов.

в) более высокая, в 1,5-2 раза изменчивость (по коэффициенту вариации) содержания ТУ в составе газов на площади и в угольных пластах.

Особенности геохимии угля выбросоопасных объектов:

а) более высокие средние и максимальные содержания и наличие аномальных содержаний(90% проб) ряда микроэлементов.

На невыбросоопасной площади содержание большинства микроэлементов соответствует средним значениям общей выборки

Из 7 угольных пластов Рудницкой подсвиты максимальное количество аномалий микроэлементов, а также наиболее высокое среди всех пластов содержание серебра и Ва характерно для вы-

бросоопасного пласта Мощный, Невыбросоопасный пласт Четвертый характеризуется не только более низким содержанием ряда микроэлементов, но и отсутствием аномалий.

б) корреляционные связи микроэлементов на выбросоопасной площади имеют более разветвленные группы из 5-6 элементов. В блоках невыбросоопасных, в ненарушенном массиве корреляция микроэлементов отсутствует.

в).более высокая, в 2 раза, изменчивость распределения микроэлементов на площади и в 2,5 раза в угольном пласте Мощный...

Итак, выбросоопасные объекты разного масштаба - структурно-тектонические блоки, угольные пласты, участки пласта(зоны) в горных выработках характеризуются более высоким содержанием ТУ в составе газов угольных пластов и микроэлементов в углях, более широкоразветвленными корреляционными связями газовых компонентов и микроэлементов, и более высокой изменчивостью распределения ТУ в газах и микроэлементов в углях( в 2-2,5 раза), чем соответстветствующие невыбросоопасные (3).

Газы и микроэлементы угля - это две независимые субстанции, но при этом обе характеризуются единой направленностью изменений в зависимости от выбросоопасности, что позволяет рассматривать их как критерии выбросоопасности.

Сущность геохимического комплекса, как критерия выбросо-опасности, в том, что он объединяет оценку нарушенности угля на уровне макропористой структуры , современной сохранности газа в массиве и геодинамической нестабильности в процессе геотектонической истории - основные факторы выбросоопасности.

Выбросоопасные объекты характеризуются более высокой на 1-1,2 порядка нарушенностью макропористой структуры угля и более высокой геодинамической нестабильностью, отражая единство природы и особенностей ГЗ для всех проявлений выбросоопасно-сти от регионального уровня до участка пласта в горной выработке.

Итак, региональная газодинамическая зона Воркутского месторождения связана с системой разрывных нарушений, пересекающих мульду в С-В направлении, занимает большую срединную часть структуры, имеет сложное неоднородное строение, включает разные типы разрывных нарушений - взбросо-надвиги, надвиги, взбросы и даже сбросы и содержит локальные ГЗ.

Ее геологическое строение и условия проявления выбросов изменяются с запада на восток - в западной части ГЗ связана с

крупным взбросо-надвигом «Д-Е», его апофизами и серией флексур, на востоке - с несколькими более мелкими системами взбросов - «Ж» и «З-К». В западной части выбросы связаны непосредственно с крупным взбросо-надвигом «Д-Е» и осложняющими его флексурами, в восточной, на С-В крыле мульды» выбросы не связаны непосредственно с плоскостью крупных разрывных нарушений, а приурочены к зонам повышенной деформации угля - зоне развития мелких флексур на площади резкого перегиба крыльев структуры,, зоне выклинивания вышележащего пласта, местам внедрения песчаников в пласт, площади развития крепких песчаников в кровле пласта.

Формирование региональной ГЗ рассматривается как процесс длительной, начиная, с угленакопления унаследованной деформации структуры угля в течении всей геотектонической истории в условиях сдвиго-сжатия, сохранности газа и высокой геодинамиче-ской нестабильности.

Особенности ГЗ - повышенная нарушенность структуры угля и геодинамическая нестабильность массива прослежены для объектов разного масштаба - региональной и локальной ГЗ, угольного пласта, участка пласта в горной выработке, что отражает и подтверждает единую природу выбросоопасности.

Повышенная нарушенность угля проявляется в региональном плане в широком развитии в угольных пластах перетертого землистого угля, как результата проявления длительной унаследованной деформации сдвиго-сжатия. На уровне угольных пла-стов(согласно оценке по геохимическому комплексу) нарушен-ность макропористой структуры угля, как тектонически нарушенного «выбросоопасного», так и макроскопически прочного «потенциально выбросоопасного», превышает на 1-1,2 порядка нарушенность невыбросоопасного угля.

Унаследованная геодинамическая нестабильность формирования в процессе геотектонической истории проявляется на уровне региональной ГЗ в виде изменчивости разрывных нарушений и разрывных зон, изменчивости палеонапряжений, на уровне локальных ГЗ и угольных пластов в виде изменчивости распределения газов и микроэлементов, отражающей изменчивость обменномиграционных процессов.

Настоящими работами установлена принципиальная связь геохимического комплекса газы-уголь с газо и геодинамическими зо-

нами и некоторые геохимические показатели, отражающие эту связь, что может служить основой для дальнейших исследований.

Особенности современного геохимического поля угля и газа в ГЗ. являются частью общего изменения геологических, геофизических и других полей Земли в газо и геодинамических зонах и отражают единую природу выбросоопасности, что расширяет возможности выявления ГЗ в различных геологических условиях.

Геохимический комплекс угля и газа, как критерий выбросо-опасности, может быть использован в любом палеозойском угольном бассейне в диапазоне марочного состава от Ж до ПА (диапазон присутствия ТУ в газах) до глубины 1000 м.

- Геохимические показатели угля, как критерии геодинамиче-ской нестабильности, существенно расширяют возможности выявления геодинамических зон в районах развития углей марок Г, ПА и А, где отсутствуют ТУ в составе газов, а также в негазоносных угольных месторождениях.

------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Приходько Ю.Н. (ф) Составление атласа тектонических форм Печорского угольного бассейна. Воркута. 1979.

2. .Беляева Г.Н.(ф) Совершенствование методики литоструктурного анализа с целью прогноза зон естественно-напряженного состояния горных пород на западном крыле Воркутского месторождения.

3. Вольпова Л.С., Попов А.Н.(ф) Исследование геохимического комплекса угля и газа как показателя газодинамических зон на угольных месторождениях. Москва.1999. МГГА..

4. Корчемагин В.А., Крамаренко А.И. Геологическое изучение шахтных полей на стадии их разведки и эксплуатации. Экспресс-информация ЦНИЭИуголь, ЦБНТИ. Минуглепром УССР. М. 1981

5. Вольпова Л.С. (ф) Изучение и прогноз выбросоопасности углей Печорского бассейна. Москва. 1982. МГРИ. ШИЗ

Volpova L.S.

THE FEATURES OF GAS-DYNAMIC ZONES OF VOKUTA DEPOSIT We have considered the peculiarities of Vorkuta deposit tectonics. As a result of its analysis it has become possible to identify regional gas-and-dynamic area. The area is complex and uninformed. It contains smaller local zones. We have also considered interrelation between gas-and-dynamic activity and mining and geological conditions; identified the peculiarities of gas geochemics in outburst hazard mines compared to those where there is no outburst potential.

— Коротко об авторе ---------------------------------------------

Вольпова Л.С. - кандидат геол.-мин. наук, ведущий научный сотрудник РГГРУ, Т. 690-62-68.