Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Термобарогеохимические исследования углей Центрального и Восточного Донбасса в связи с их выбросоопасностью

ВАК РФ 04.00.11, Геология, поиски и разведка рудных и нерудных месторождений, металлогения

Автореферат диссертации по теме "Термобарогеохимические исследования углей Центрального и Восточного Донбасса в связи с их выбросоопасностью"

> а ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ с= ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

э

Г- РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

СЛАВГОРОДСКИЙ Николай Иванович

УДК 552.574:662.831.322

ТЕРМОБАРОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УГЛЕЙ ЦЕНТРАЛЬНОГО И ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА В СВЯЗИ С ИХ ВЫБРОСООПАСНОСТЬЮ

Специальность 04.00.11 — Геология, поиски и разведка рудных и нерудных месторождений ^ металлогения.

А В т о Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических паук

Ростов-на-Дону 1995

Работа выполнена в Ростовском государственном университете

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор геолого-минералогических наук, профессор В. Н. Труфанов

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор А. А. Тимофеев (ВНИГРИуголь) кандидат геолого-минералогических наук, доцент Б. А. Черников (РГУ)

Ведущая организация: Ростовская геолого-разведочная

экспедиция ГГП «Южгеология»

Защита состоится ■( 2. 1кял 1995 г. в 14 часов на засе-

дании специализированного Совета К- 063. 52. 10 по геолого-минералогическим наукам при Ростовском государственном университете по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге 40. геолого-географический факультет РГУ, ауд. 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУ. (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148)

А1 торсфсрат разослан

9<Г

У' еиь:й секретарь с п .-ЦПализирог аниг,го Сое ста, кандидат геолэго-мингралогических наук, доцент

В. С. НАЗАР ЕН К О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Термобарогеохимические методы исследований угольных месторождений, которые начали интенсивно развиваться в последние годы, позволяют получить новую информацию о качественном составе каустобиолитов, температурных и барических параметрах метаморфизма углей и вмещающих пород, физико-химических особенностях природных систем "уголь-флюид". Особое значение эти методы имеют для решения проблемы выбросоопасности угольных пластов, так как внезапные выбросы угля, пород и газа представляет собой наиболее опасные газодинамические явления, отрицательно сказывающиеся на эффективности работы угольных шахт. Они замедляют и удорожает их строительство, усложняют технологию проведения и поддержания горных выработок, приводят к большим материальным потерям, а нередко и к человеческим жертвам.

Создание безопасных условий труда шахтеров требует дальнейшего совершенствования методов прогноза опасных газодинамических явлений и, прежде всего, оценки выбросоопасности угольных пластов, так как в настоящее время достоверность прогнозирования вне-вапных выбросов угля, пород и газа не превышает 70Х.

Актуальность работы свяеааа о возможностью более детального определения выбросоопасных участков угольных пластов как на стадии геолого-разведочных работ, так я при проходке горных выработок на основе разработанных методик и приборов для термобарогео-химических исследований углей, которые позволяют зкспрессно и из небольшое навесок проб получать необходимую к достоверную информацию.

Цель работы - установление физико-химических условий метаморфических преобразований ископаемых углей Центрального и Восточного Донбасса, выявление эпигенетически измененных локальных вон угольных пластов и разработка новых критериев прогнозирования их потенциальной выбросоопасности методами термобарогеохимии.

Задачи исследования:

- разработка методики термобарогеохимических исследований ископаемых углей с применением вакуумных декрилтографов типа ВД;

- определение термобарогеоучмичсских условий регионального метаморфизма ископаемых углей в ряду их катагенетичесгаи измене-

ний от л к А ¡¡а примере пласта шз Центрального и Восточного Донбасса;

- проведение геолого-структурного и термобарогеохимического картирована угольных пдгггов на разном удалении от мест реализации Ечевэлных выбросов угля, пород и газа для получения объективной информации об особенностях геодинамических ситуаций и процессов флюидогенного преобразования углей, предопределяющих формирование выбросоопасных вон в угольных пластах;

- разработка критериев прогнозирования выбросоопасных зон в угольных пластах на основе вакууыно-декриптометрических, гаэо-во-хроматографических, электронно-микроскопических анализов угольного вещества по отобранным в горных выработках и из керна стаями пробам.

Научная новизна:

1.Впервые разработана методика терыобарогеохимических исследований ископаемых углей с применением новых приборов - вакуумных декриптографов типа ВД.

2. На примере пласта Пз установлены типоморфные декриптограммы для всего катагенетического ряда углей Центрального и Восточного Донбасса.

3.Структурно-морфологическим картированием установлено, что выбросоопасные участки пластов имеют определенную вонаяьпость, проявляющаяся в вакономерной смене структурных разновидностей углей. Особенностью геодяншических ситуаций в гчбросоопасных вонах является сочетание разнонаправленных вертикальных и боковых (стрессовых) перемещений угольных пластов и вмещающие пород в участках тектонических нарунений. Это способствует вогмозкности развития процессов флюидно-кетасоматического изменения углей, которые предопределяют формирование выбросоопасных вон,

4.С поганью электронной микроскопии выявлены фбрмы нахождения флюидной составляющей в контрастных по степени выбросоопас-нооти углях.

5. Разработаны термоСарогеохишческие критерии прогнозирования вибросоопасннх гон в угольных пластах.

Фактический материал и достоверность исследований.

Работа выполнена по материал полевых н лабораторных исследований, проведенных автором в 1980-1994 гг. Детально опробованы V алдокументированы угольные пласты шз, lia. iz, me1 в 12 угольных вахтах Центрального и Восточного Донбасса, по которнм отбирались

птуфные образцы и пунктирно-бороздовые пробы на различных удалениях от выбросоопасных аон. Било изучено более 50 пяастопересече-ний с построением типовых разрезов для шахт ь,дешовской 5, Красно-донецкой, N17, Центральной и др. Пробы отбирались по простиранию и вкрест простирания пластов угля и вмещающих парод с интервалом 20-50 М.

Основными методами изучения отобранных проб билл вакуук-!Ю-Д01фипт0метрический (840 анализов) и хроматографический (412 анализов). Кроме того, пробы угля подвергались стандартному техническому анализу (210 проб), оптико-микроскопическим чсследояа-нияк с использованием микроскопов "Ампливаль" (210 шшфоп и аниг-лифов) . электронно-микроскопическим исследованиям с применением растрового электронного мжфоскопа "Камсбакс" и туннельного электронного микроскопа (43 анализа); проводился их дифференциально- термический анализ (107 проб).

Достоверность и надежность научных положений подтверждается: - необходимым обгеиои изученных образцов углей и вмещающих порол;

-применением апробированных методов исследований; -получением сопоставимых результатов при исследованиях одних и тех де образцов разными методами;

-использованием современных методов обработки результатов исследований.

Практическая ценность работы состоит в разработке методики термсбарогеохимичесгаос исследований углей, ^определении на ее основе температурных и барических параметров метаморфизма углей и локального гидротермального преобразования ОВ в гонах структурных неоднородностей пластов, установление новых критериев оценки потенциальной игбросоояаспости угольных пластов.

Реализация работы. Основные результаты термобароге-охимических исследований углей Центрального и Восточного Донбасса использованы для разработки теория,эффективных методов и средств прогнозирования внезшпак выбросов угля, пород и газа при выполнении пдучг.о-тсхничесшй прогршма "Уголь-выброс". Для проведения ТБХ~исследований углей усопгрзеистЕОвена конструкция вакуумного декрнлтографа РД-5, разработан и изготовлен прибор - электромагнитный индикатор поляризадот углей ЭВД-3, который используется для диагностики выбросоопасвс^та угогышх пластов.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на: 6 Всесоюзном геологическом угольном совещании, Львов, 1930 г., 3 обл.конференции молодых ученых и специалистов " Проблемы геологи'*, ресурсы полезных ископаемых и охрана окружгтадей среды", Ростов-на-Дону, 1983 г., на соведашм "Термо-барогеохкмия эндогенных процессов", Благовещенск, 1984 г., 8 Всесоюзном угольном совещании, Ростов-на-Дону, 1986 г., Межведомственном семинаре"17рикладная термобарогеохимия", Алма-Ата, 1988 г., а областной научной конференции молодых ученых и специалистов "Геология и разведка угольных месторождений". Ростов-на-Дону, 1986 г., Всесоюзной конференции "Современные проблемы геологии и геохимии твердых горючих ископаемых", Львов, 1991 г., на 8 Всесоюзном совещании по термобарогеохимии, Александров, 1992 г. Основные затщщаемые положения неоднократно обсуждались на периодических научно-технических семинарах по пгоблеме"Уголь-выброс" в период 19Э1-1994 гг..проводимых СКНЦ ВШ,Ростов-на-Дону.

Публикаци и. Основные результаты проведенных исследований опубликоавны в 12 печатных работах. .

С I р у к т у ра и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на «•г. страницах машинописного текста, состоит из введения, С глап, заключения, списка литературы из 2« наименований, содержит (V рисунке^ и Я таблиц.

Во введении приводится общая характеристика работы с обоснованием актуальности и практической значимости проведенных исследований. в первой главе проводится обзор и анализ состояния проблемы. Вторая глаза посвящена изложению методики исследований. В третьей главе рассматриваются геолого-структурные особенности ЕыСросооп"сних уголных пластов. Четвертая глава.посвящена термо-' барогеохкмическим исследованиям углей з ряду их мэтаморфизьз от Д к А. в пято!! главе излагаются результаты исследований структуры поверхности углей методами рентгено-спектральной и растровой тун-лйльной микроскопии. В шестой главе обосновываются термобарогео-химические критерии прогнозирования выбросоопасных зон в угольных пластах.

Диссертационная работа выполнена под руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора В.Н.Труф-пнова, которому автор выражает глубокую благодарность. Консультации и помощь яри выполнении исследований оказывали профессор Н.Ф.Лосев,профессор

П.Ф.Иванкин, кандидаты геолого-минералогических наук В.И.Косоуров,В.Г.Ршов,В. А.Косшстй,A.A.Гонцов, геолог Н.Т.Колзсничен-ко.Автор признателен за поддержу и критические замечания Б.В. Смирнову. Н.С.Прокопову.М.И.Гамову, АЛ. Козакову, С. В. Макаргахе.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

1. Разработана методика термобарогеохишческих исследований ископаемых углей с применением новых приборов - вакуумных декрш-тографов серии ВД, включающая:

- регистрацию интенсивности и динамики газоведеления из углей различного марочного состава при их нагревании в вакууме с целью выявления корреляционных связей между термобарогеохимичес-кими характеристиками, полученными в интервале температур 20-1000 С, петрографическим составом ископаемого органического ЕещестЕа, степенью его метаморфизма и особенностями эпигенетического преоб-

• разования;

- определение качественного и количественного состава газообразных компонентов, образующихся в процессе вакуумно-декрипто-метрического анализа углей и углевмещащих пород;

- выявление РТХ-характеристик угольного вещества и эпигенетических минералов в гонах флюидиаации и зыбросоопасных очагах угольных пластов.

На1« изучались угольные пласты Центрального и Восточного Донбасса, разрабатываемых объединениями Ростовугодь.Донецку-голь »Огстябрь уголь, где отмечаются многочисленные случаи внезапных выбросов угля,пород и газа. Всего было задокументировано и опробовано 4 Еыбросоопасных шахтопласта (шз.Ьд,¡з.т^1), исследовано методами вакуумной декриптомэтрии и газовой хроматографии более 50 пластопересечений о построением типовых разрезов для шахт Дца-новскон 5 .Краснодонецкой^ентральнойД? и др.При отборе образцов осуществлялось детальное макроскопическое и микроскопическое изучение углей с выделением их структурно-текстурных и петрографических разностей с последую":- отбором групп микрокомпонентов или валовой пробы с помощью усовершенствованного микротвердоме-

ра,снабженного алмазным пробоотборншсом.

Вакуумная декриптометрия проводилась на приборах типа ВД-4 -ВД-6,разработанных б Ростовском госунлверсктете.Прибор работает на принципе непрерывной ре.'истрацич изменения давления в нагреваемой Ег^гуумирозашой капсуле, в которой помечена определенная навеска исследуемого вещества.Анализ начинается при исходном давлении Ро,при котором' установилось динамическое равновесие между количеством газов, поступающее в систему ва счет "натекания" (VI) и откачиваемых в единицу времени насосом (Уд).

Если при нагревании пробы не происходит поступление дополнительных порций газа, равенство VI-» Уг удовлетворяется на протяжении всего опыта и герыобарограша шеет вид прямой, параллельной оси абсцисс. Если же в результате выделения гага в определенных температурных интерзалах Уг станет больше VI , то кривая отклониться в сторону оси ординат тем круче, чем интенсивнее приток газа. Наглядное графическое представление о динамике гаэоавделе-ния дают гистограммы, построенные по ьосходяяцим ветвям кривых газоЕЫделешга в координатах лТ- лР, т.е. учитывающие локальные превращения давления в системе через определенные малые интервалы приращения температуры, принятые в налах исследованиях равными 20*0.

С помощью 'гистограмм выделялись температуры начала, максимума и окончания эффектов газовыделенкя, затем расчитывались энергетические Р -показатели флшдоактивнооти углей и вмещающих пород по методике .предложенной В.Н.Труфановыа (1900).Согласно этой методике величина г-показателя рассчитывалась по формуле Р - РУ/Тв. (где 4. Р-приращение давления в капсуле щжСора ВД-Б с анализируемой пробой за счет выделения газовой фазы ; V - ее объем; Тг - модальная температура максимума декриатвциз).. В соответствии с законом Менделеева-Клапейрона ( РУ-пКТ) и кинетическим' урзрнением состояния газов (Р-2/3 Миг / 2 ) величина Р пропорциональна количеству грамм-молей газа п .выделившегося при термодеструкции пробы, и квадрату скорости его молекул и . Поэтому Р-показатель пь-ляется энергетической характеристикой исследуемых прей, т.к. он отражает относительный Еклад флюидной фааы в общий уровень энер-тонасчг.е-яности системы "уголь-флкид".

Значения Р-показателя определялись для кавдого температурного максимума гаговыделения ( Р1, Гг. Рз и т.д.), что дало

возможность оценить как среднюю величину энергонасьщенности всей системы "уголь-флюид", так и значения этой величиш для различных структурных ее фрагментов, подвергавшихся термодеструкции в конкретном интервале температур.Последнее позволяет оценить не только склонность углей к разрушению, но и делать негаторне еыбоды оо их структуре и формах нахождения флюидных компонентов.

Для повышения достоверности интерпретации результатов ТЕХ-исследований применялись современные физические и фчаико-химические методы; дифференциалыгай термический анализ на дернга--тографе ОД-102, инфракрасная спктроскопия на приборе 29, стандартные методы определения технологических свойств углей,методы оптической,растровой и туннельной электронной микроскопии с применением приборов "Ампливаль","СатеЬах" и атсшс-силомго микроскопа конструкции МГУ. Определение электрополяризационных свойств углей с помоезыо разработанного прибора ЭВД-3.

Определение состава выделяющихся при нагревании газообразных продуктов проводилось на хроматографах ЛХМ-8МД, Хром-4, конструк-. тивно объединенных с вакуумным декриптографом, что дает возможность проводить качественный и количественный анализ летучих в любом заданном температурной интервале.В качестве детектора в хроматографах использовались катаромегры, газом-носителем служили гелий или аргоя, сорбентами - попопак-Q, полисорб-1, цеолиты NaX, СаА, активированный уголь СКТ.

Для оценки влияния э)»перименталъных факторов на термобари-ческга характеристики,сопоставимость результатов,полученных в различных экспериментальных условиях, проведено изучение зависимости тчрмэбарогрэя! от размеров фракции, массы проб и скорости их нагревания.

Для определения оптимальной масс-i; пробы проведена серия анализов и использованием навесок от 5 до 100 мг в еавискмости от марки угля и pesoasa работы де криптографа. В случае исследования пробы донецкого угля марки ОС увеличение навески в 5 и 10 раз ведет к поБ'Ж'гШЭ давления в вакуумкрованной капсуле в интервале температур 20-300 С в 1,4 и 2,6 раза соответственно, а в интервале 340-600 С - в 2 и 4,0 раза. В связи с тем, что производительность вакуумпого насоса при этом не меняется, температурные интервалы окончания эффектов гаг выделения в низкотемпературной области фиксируется при более высоких температурах, в то время как

температура начала декриптационных максимумов основного. периода газовыделения существенно не меняется (при увеличении навески.в 10 раз температура начала максимума уменьшается на 40-50'С) , а температуры окончания га'-оаыделтаиа практически нивелируются. В высокотемпературной области при резком увеличении газовыделения из пробы большой масса (>50 мг) прибор работает на пределе чувствительности, и декриптограммы трудно дифференцируются. В результате оптимальной принята навеска пробы массой 10 мг.

Характер терыобарограмм в определенной мере зависит от скорости нагрева угольных навесок. При нагревании угля со скоростью 10, 20, ЗО'С в минуту экспериментально установлено, что увеличение скорости нагрева проб мало влияет на положение и форму аффектов газовыделения в низкотемпературной области (20-300°С), тогда как в более высокотемпературном интервале наблюдается закономерное увеличение амплитуды газовыделения со скоростью нагрева, происходит незначительное усложнение конфигурации декриптограмм и смещение температур декриптационных максимумов. Наиболее приемлемой принята скорость нагрева 20*С в минуту.

Для определения оптимальной величины фракции была проведена серия экспериментальных работ по вакуумной декриптометрии углей с размерностью от 0,05-0,1 мм до 1,0-3,0 мм. Выяснилось, что наиболее информативными являются термобарограммы (фоб фракций 0,25-0,5 мм. ...'.'

Для оценки влияния петрографического состава твердых горючих ' полезных ископаемых на характер термобарограым проведены вакуук-но-декриптометрические исследования основных групп микрокомпонентов углей. В связи с .технической трудностью получения чисгых фракций микрокомпокентов углей анализировались смеси с преобладающими (до 90%) количествами мицералов групп витрияита, фззвнита и лейптинита. \•

Наряду с Еакуушо-декриптоыетричвскими яшшаами углей проводились термобарогеохимические исследования углевмедающкх пород V. эпигенетических жильных минералов (кварц, кардошзы, сульфиды), отобранных в участках тектонической нзрушакности плаотов и в окрестностях выЭроооопаснш очагов. При этом в соответствии о об-ш.'?пгиялтыми методиками анализу подвергались навески проб этих минералов и пород массой 200 мг о размерностью фракции 0,5-0,26 мм:

2.На основании комплексных вакуумно-декрипгометрических и газово-хроматографических исследований углей определены количественные физико-химические параметры процесса метаморфического преобразования угольного вещества в широком диапазоне от ¿линнопла-меннъи до антрацитов. Установлены типоморфные до криптограммы для всего катагенетического ряда углей Донбассе.

Основными геологическими факторами,влияющими на метаморфизм углей, принято считать температуру, давление и геологическое время. Температура является важнейшим фактором преобразования ОВ.при атом господствует два мнения: первое - о преобравог.енил угля в период достижения максимальных падеотемператур в момент максимального погружения и второе- о непрерывном ме-эморфиаме углей в течение всей геологической истории,когда степень метзмэрфазка определяется общим суммарным количеством тепла,полученным ОЕ.Для образования изометаморфных углей разброс значений максимальных падеотемператур по данным разных исследователей (И.И.Аммосова, В.Е.Забигайло, В.И.Николина, В.Н.и Ю.Н.Нагорных, В.Г.Белоконь, Ю.Р.Мазора, Д.В.Макарова и других) достигает &00 С.

По расчетам Я.Ф.Канана,А.К.Матвеева (1986) палеогеотермичес-кхй градиент в Донецком бассейне в период метаморфизации углей Практически не отличался от современного- 28 град/км. Палеотемпе-ратуры,необходимые для образования отдельных стадий метаморфизма углей,составляли (с учетом сдоя постоянной температуры^-10): Б до 50, Д - 50-80, Г - 80-110г К, ОС - 120-140, Т - 140-155, ПА -155-120, А - 190-270*0.

По данным Э.Штах, М.-Т.Маковскии, М. Тейхмюллер и др. (1978) максимальные значения температур и литостатического давления метаморфизма углей следующие: бурые угли - глубина погружения (Н)до 1,5 км, Г - 00-80°С, Р - 250-800 бар; длиниопламенные - Н = 1.5-2 км, Т - 80-120*0, Р - 300-500 бар; газовые - Н = 2-3 км, Т -120-180"С, Р - 500-750 бар; жирные - К = 3-4 км, Т - 150-200°С, Р - 700-800 Сар; отсденно-спекахдиеся - Н - 4-6 км, Т - 200-300*0, Р - 800-1000 бар; тощие - Н - 6-8 км, Т - 300-350"С, Р - 1,5-2 кбар; антрациты - Н - 8-10 км, Т -- 350-400*С, Р - 2-2,8 кбар; суперантрациты I! - 10-13 км, т - 400-450*0, Р - 2,5-4 кбар.

Давление в процессах метаморфизма углей оценивается разными

исследователями и- как способствующий углефикации.и как препятствующий ей фактор.По-видимому,наиболее конструктивным является мкенке а зависимости роли давления от степени открытости системы "уголь-ьмещающие породы",т.к.давление,препятствуя удалению газообразных продуктов.реакций метаморфизма, замедляет углефикацио.

Относительно роли геологического времени также существуют диаметрально противоположные точки зрения.Согласно одной из них,время но играет никакой роли в метаморфизме ОВ,геологического времени всегда достаточно. Другая точка зрения предполагает большую ооль геологического времени и возможность компенсации им недостаточных температур при преобразовании ОВ. В.Н.и Ю.Н.Нагорные (1977) выделяют два типа углей: с завершенным и незавершенным метаморфизмом. незавершенным метаморфизмом характеризуются угли,находившиеся в условиях максимальных глубин и температур менее 50 млн. лет.

Для формирования метаморфических пород кроме давления, температуры и времени необходимо еще одно условие - движение (деформация; пород (Г.Г.Керновская, 1993). Исследования, проведенные в механохимии, позволяют считать, что часть механической энергии (5-801), затраченной на хрупкую и пластическую деформацию, задерживается кристаллической решеткой деформируемого тела. При этом происходит изменение строения твердого тела, искажение кристаллической решетки (дефекты, дислокации) и ее перестройка (изменение координационного числа межатомных,, межмолекулярных расстояний). Стрессовые давления в тектонических вонах могли достигать 4 кбар. •

Нами исследованы и определены типоморфные декриптограммы для всего катагенетического ряда Донецких углей на примере пласта тз, распростаренкого в пределах всего бассейна. Анализ декриптограмм показывает их сложный полимодальный Характер,хотя положение максимумов гаговыделэния.их количество,соотношение ин-тенсивностей эффектов декриптации существенно и вакономерно изменяется в углях разных типов в зависимости от степени их метаморфизма (рис.1).

Первый эффект газсввделения .наблюдается для углей всех марок в диапазоне температур 69-2£0вС, причем его интенсивность снижается, а максимум смещается о-г 110. до 130*0 по мере перехода ог углей марки Д к антрацитам..Кроматоцрафичкски установлено,что в этом

ДЕКРИПТОГРАММЫ МЕТАМОРФИЧЕСКОГО РЯДА УГЛЕМ Щ-Я] ДОНЕЦКОГО БАССЕЙНА С ЦИКЛОГРАММАМИ СОСТАВА ЛЕТУЧИХ КОМПОНЕНТОВ ОСНОВНОГО ^ЗАШТРИХОВАНО)

ПЕРИОДА ГЯЗОВЫДЕПЕНИЯ

'<№- И ог

ООО *с

Рид. {

ЕЗъоШсо ЕШсогШъ Олг ^адЕМс,«,»^ Шаи^ьн-, '

диапазоне температур выделяются пары воды, кислород, азот и метан. С увеличением степени метаморфизма углей деля НгО уменьшается, что коррелируется с определением влаги для этих образцов традиционными методами.

Общая флюидоактивность (Fo6m.) "спокойных" углей изменяется от 362 ед. для длиннопламенных углей до 176 ед. у антрацитов. По мере роста степени метаморфизма снижается доля низкотемпературного эффекта газовыделенкя (Fi) и закономерно увеличивается вклад высокотемпературных эффектов (F0+-F3).

Сравнение вакуумных декриптограмм и результатов определения состава газов, выделяющихся в отмеченном диапазоне температур, для углей, отобранных в одном пласте, но на разных гипсометрических уровнях, показывает, что соотношение газоь имеет тенденции к изменению в соответствии с газовой зональностью угленосного бассейна, установленной ранее (А.Л.Козлов, 1978). Поэтому можно заключить, что газовыделение в низкотемпературной области в основном обусловлено десорбцией газов с поверхности угольных частиц и их удалением кз макропор и открытых трещин. Подтверждением этого вывода является также тот факт, что измельчение пробы угля приводит к уменьшению и общего объема выделяющихся газов. Следует также отметить, что эффекты газовыделения в низкотемпературной области характеризуются отрицательной асимметрией (коэффициент асимметрии меньше нуля), что вполне согласуется с кинетикой десорбции газов с поверхности минеральных частиц (И.Л.Эттингер, 1982).

По результатам проведенных дифференциально-термических анализов эффекты газовыделения в низкотемпературной области имеют четко выраженный эндотермический характер,причем их амплитуда закономерно снижается в серии углей, от Д к А,что несомненно связано с относительным уменьшением гигроскопической влаги.

На всех декриптограммах изученных углей наиболее контрастными и сложиопостроенными являются среднетемпературкые эффекты га-оовыделеиия,проявлявшиеся в широком интервале температур от 250 до 6<Ю*0. На дол» этих эффектов приходится максимальное количество гцделягацихся газообразных продуктов при нагревании ископаемых углей.

ирогчитсльный анализ ьшт/умных докриптограмм в серии углей гагной степени метаморфизма показывает, что при переходе углей парки Д к антрацитам происходит закономерное увеличение интервала

температур газовыделения с одновременным "смещением" максимумов эффектов в область более высоких температур. Общее количество выделяющихся газообразных продуктов постепенно уменьшается от низ-кометаморфизованных углей к антрацитам з пределах от 12-Я до 7-4 см3 на 100 мг пробы. Динамика газовыделенга в отсм интервале температур принципиально отличается от низкотемпературных эффектов. Они имеют резко выраженный асимметричный характер с очень крутой Восходящей и пологой нисходящей ветвью кривых, т.е.они характеризуйся высокими положительными коэффициентами асимметрии (Аз) .Показательно, что абсолютные значения Аг уменьшаются от 0,6-0,7 до 0,3-0,5 в ряду углей от Д к А, т.е. при более высокой степени ме-таморфизации угольного вещества динамика газовыделения характеризуется приближением к равновесному распределению единичных импульсов декрзтптацки на температурной шкале, тогда как в слабо ме-таморфизованых углях (К - ОС - Т) процесс имеет резко неравновесный характер.

Отмеченные закономерности несомненно обусловлены неодинаковой кинетикой дегазации углей разной степени зрелости и существенны!.™ различиями в отношениях источников выделяющихся флюидных компонентов.В слабометаморфизованных углях в результате термической деструкции разветвленных цепей макромолекул образуется значительное количество газообразных продуктов, относительный вклад которых в суммарное газовыделение является весьма существенным. В тоже время в этих углях идут интенсивные процессы декриптации макропор,выполненных "законсервированными" гагами.Интерференция этих двух процессов генерации газов проявляется в резкой асимметрии эффектов газовыделенпя.

В углях более еысоких степеней метаморфизма главными источниками газев становятся ультрамикроскопичесюю флюидные включения и ядерные участки, макромолекул органических веществ, что коренным образом изменяет кинетику газовыделения.

Из результатов газово-хроматографических анализов следует, что набор газов представлен азотом, метаном, этиленом, этаном, пропиленом,, ацетиленом, окисью и двуокисью углерода, водородом, сероводородом и водой. Характкрной особенностью является преобладание в составе газов паров воды, метана, окиси и двуокиси углерода, относительное содержание которых уменьшается с увеличением степени метаморфизма углей. Вместе с тем доля водорода в обшем

объеме постепенно увеличивается, достигая максимальных значений у. антрацитов. Результаты газово-хроматографических исследования подтверждают сделанный выше вывод о неравновесном состоянии системы "уголь-флюид", причем степень этой неравновесности максимальна в слабометаморфизованных углях.

По результатам ДТА среднетемпературные эффекты газовыделения имеют, как и низкотемпературные, эндотермический характер, причем с увеличением степени метаморфизма углей максимум эндоэффектов смещается в область более высоких температур, что полностью согласуется с данными вакуумной декриптометрии.

Проводя анализ ваку>мных декриптограмм углей разной степени зрелости,можно заметить, что наряду с отмеченными двумя интенсивными эффектами газовэделения для углей марок Я и ОС устанавливаются дополнительныв эффекты в интервале температур 220-320" С с максимумов вблизи 280*С . Состав газов, выделяющихся в этом интервале, следующей: окись и двуокись углерода, кислород, метан, пропилен, этилен, азот и пары воды с преобладанием последних. На пределе чувствительности диагностируется водород и ацетилен.

На вакуумных декриптограммах исследуемых углей имеются также устойчивые эффекты газовыделения в интервале температур выше 600* С. Интенсивность их варьирует, сохраняя общую тенденцию увеличения от углей марки Д к антрацитам, арасположенеие меняется в сторону более высоких температур по мере увеличения степени метаморфизма углей.

3.Структурно-морфологическим картированием установлено, что выбросоопасные участки пластов имеют определенную зональность, проявляющуюся в закономерной смене структурных разновидностей углей: "спокойный" - брекчиевидный - линзозидно-полосчатый - мило-нитизированный в направлении к очагу выброса. Важнейшей предпосылкой формирования выбросоопасных очагов может считаться структурная нарушенность пластов, приводящая к существенному изменению физико-механических и газодинамических свойств угля. Это обусловливает возможность развития в таких участках пластов локальных процессов флюидно-метосоматического изменения углей, которые предопределяют формирование выбросоопасных зон.

Многолетней практикой, разработки выбросоопасных пластов доказано (А.Т.Аируни, А.Э.Петросян, В.Б.Ходот, И.Л.Эттингер, В.Я.Ткач и др.), что выбросоопасные зоны совмещаются в пространстве с тектоническими нарушениями, чзце пликатывными, в которых одновременное воздействие на угольный пласт всестороннего давления и сдвига наиболее выражено.

Согласно статистике (В.И.Николин и др., 1981) из ¡хох локальных тектонических нарушений только примерно 53: создают выбросоопасные геологические структуры.

Автором, совместно с В.Г.Рыловым, при картировании выбросоо-пасных участков угольных пластов выявлена определенная зональность , проявлявшаяся в закономерной смене структурных разновидностей углей (рис.2). Наиболее пояно она выражена в пределах выб-росоопасного пласта шэ шахты Ждановской 5, отдельные ее элементы зафиксированы вблизи очагов выбросов угля, пород и газа на шахтах N 17, Краснодонецкая, Штеровская.

На указанных пахтах важнейшей предпосылкой формирования выб-росоопасных очагов может считаться структурная нарушенность пластов, приводящая к существенному изменению физико-механических и газодинамических свойств угля. Выделяются следующие типы структурных нарушений:

- выбросопасные зоны в приразрывных складках надвига;

. - внутрипластовые нарушения пологого или псшогосекущего сдвига; .

- фдексурообравные изгибы угольных и вмещающих пород на крыльях брахиантиклиналъных или брахисинклиналыгах структур;

- участки выклинивания или расщепления пластов, "зажатые" между песчаниками и аргиллитами;

- русловые песчаники размыва, где "спокойное" залегание, пласта нарушается появлением мелких асимметричных складок нагнетания.

Общей особенностью всех рассмотренных геодинамических ситуаций в выСросоопасных зонах (очагах), является сочетание разнонаправленных вертикальных и боковых (стрессовых) перемещений угодных пластов и вмещающих пород в участках тектонических нарушений, в результате которых при подходе к камере выброса в угольном пласте образуется зона повышенного сжатия, а в самом очаге - зона разуп-

Изменение термобарогеохиминеских показателен м структуры углей при подходе к очагу выброса Р______I, Пласт гл., , шх. Ждановская Л/5 ПО „Онтябрь^голь"

г»/г« ШШ1

1-.спакойным " уголь ; £* брекчиевмдный; 3-линэо видно-полосчат ь.й ; '«-расипыбованный уголь в полости выброса : 5- милони-гизиРованмыС. • В-тектонйчсскме нарушения, 7- номер пробы ; 8- номега пикетов через го м

Рис. 2

рочнения.

Это обусловливает возможность развития в таких участках пластов локальных процессов флюидио-метасоматического изменения углей, которые предопределяют формирование выбросоопасных сон.

Комплексные минералого-петрографические исследования вмещающих пород и углей, отобранных на различных расстояниях от очагов выброса, выявили здесь многочисленные признаки флюидогешгай переработки как самих углей, так и песчаников, аргиллитов, интенсивность которых прогрессивно нарастает по мерс приближения к выбрэ-соопасным гонам.

Так, например, по периферии очагов выброса в песчаниках кроьли пласта шз шахты Кдановская 5 наблюдается замещение- глинистого цемента кварцевым или карбонатным, полевых пшатов - кварцем и серицитом, а также появлением регенерационных каемок вокруг кварцевых зерен. Вторичное окварцевание пород приводит к формированию кварцитов или правильнее - кварцевых флюидигитов, потому что вторичный кварц изобилует газово-жидкими включениями, свидетельствующими о гидротермальной его природе. Температура гомогенизации таких включений находится в пределах 90-120 и 180-250"С. что вполне отвечает условиям гидротермального ыинералообразования в Центральном л Юго-Восточном Донбассе (А.А.Зинчук и др., 1983). В составе включений нередко обнаруживаются битумы и жидкая углекислота, что позволяет оценить давление флюидов не менее 70-120 Бар,

По тер:ципам в окварцеванном песчанике наблюдаются многочисленные прсиидки пирита, представленного эвгедральными вернами кубического габитуса, а также хаяцедоновидного кварца и кальцита. В последнем нередки "просечки" твердых битумов асфальтенового ряда.

В угольш« пластах при подходе к очагам выброса также отмечается вполне определенные, хотя и не столь явно выраженные мак-роскопнчекя, структурно-формациояные изменения. Они проявляются в закономерной «гене обычного "спокойного" угля тектонически раздробленным, прягарированным, милонитизированным, участками перек-рлстаддизов&шшм и упрочненным угольным веществом, в возникновении в нем волосовидных "просечек" и прожилков кальцита, кварца, пирита и других вторичных минералов. Уголь нередко приобретает матовый оттенок ("седой" уголь по терминологии шахтеров).

В непосредствэнной близости к очагу выброса, в зоне макси-

мального сжатия, уголь характеризуется относительно низкими значениями зольности, серкистости, существенным возрастанием дисперсии отрахэтслььой способности витринита. Электронно-зондовые спектр!1 отдельных компонентов показывают снижение в органическом веществе угля содержаний серы, железа, магния, алюминия и других петрогенылх элементов- примесей.

Для угля рассматриваемой зоны характерно также широкое развитие притертых микрокливажных трещин с мозаичной ориентировкой борозд на зеркалах скольжения и приуроченность к ним тонких просечек так называемого флюидиаированного угольного мшюнита, внешне похожего на фюэинит. Последнее явление настолько широко распространено, что послудидю основанчем для разработки В. И. Саранчуком с сотрудниками (1980) нового метода прогнозирования выбросоопасных зон по аномально высоким содержаниям в углях инертинита.

В процессе выщелачивания и последующего переотложения органических и неорганических компонентов угля, сопровождающегося закупориванием пор и трещин, во вмещающих породах и угольном пласте образуется "зона бронирования", сконтуривалщая очаг выброса, выполненный расштыбоваяным, милонитизированным, пористым и гааона-сыщенчым углем.

4.Выявлены формы нахождения фподной составляющей в контрастных по степени выбросоопасности углях с использованием туннельного электронного микроскопа и рентгено-слектрашюго анализатора "Камебакс". В изученных пробах угля установлены три типа ультрамикроскопических структурных неоднородностей, в которых потенциально могут находиться флюидные компоненты.

В результате электронно-микроскопических исследований структур угля установлена (А.Т.Айруни, И.В.Зверев и др., 1934,1987, В.В.Кирюшв, 1991) взаимосвязь между строением угольного вещества и формирующими его процессами.

Нами, совместно с сотрудниками НИИ физики РГУ, проведены исследования проб углей, контрастных по степени выбросоопасности. Выяснено, что в изученных пробах углей присутствуют три типа ультрамикроскопических структурных неоднородностей ,в которых потенциально могут находиться (и, по-видимому, находятся) флюидные

компоненты.

Первый тип таких флюидных "вместилищ" газов-ультрамикрсско-пические субизометричные вакуоли, имеющие размори от 10-20 мкм до п 10 мкм, стенки которых сложены плотноупакоааншши молекулами адифатики и двумерными ядрами(углеродными) кластерам--!. Количество таких включений достигает пхЮ9 ед/»<м и Солее, а сам уголь приобретает "губчатую"структуру (рис.3).

Второй тип структурных неоднородностей - тонкие щелсвкдные пс.осы между "жгутами", сложенными группами молестл. Шнрг.на таких целевидных полостей 1-2 нм, длина и г чуб/на измеряются десятками нанометров.

Третий тот структурных "ловушек" флюида - промежутки между правильно ориентчрованиыми цепями молекул глифатики, образующей сложную надмолекулярную структуру. Расстояния между такимч цепями молекул не превышают 0,4-0,5 нм, т.е. в них могут поместиться только отдельные молекулы газа.

Первый тип структурных неоднородностей, очевидно, следует относить к типичным улътрамикропорам или флюидным включениям, в которых флюидная компонента системы "уголь-флоэд" имеют фазовую границу с вмедаюгаш углем. Второй тип структурных неоднородностей наиболее вероятен для образования клатратных соединений-включений, в которых молекулы флюида ограничены в своем перемещении даяыгадействувдам вандервальсовскими силами. Третий тип структурных вакансий может быть реальной основой для образования твер-догазового раствора, в котором колекулы газа внедрены в межмолеку-лзрккэ и внутримолекулярные дефекты структуры.

Исследования образцов угля, отобранные вдали от очагов выб-рсса,при подходе к инм (зона бронирования) и в самих очагах пока эызаат, что соотноаешгс отмеченных форм консервации флюида различно в зависимости от степени переработки угля. Так, в "губчатом" угле из счета выброса доминируют фазовые и клатратные флюидные вклачепия.а в зове "бронирования" их число резко уменьшается (мо-лсттулм газа внедряются в межмолекулярные пространства). По-видимому, этими особенностями консервации флюида в значительной мере определяется характер вакуумных декриптограмм угля в разных зонах выбросоопаскых угольных пластов и в самих счагах выброса. В "зоне бронирования", образующейся при гидротермально-метасоматической переработке участков тектонически нарушэного угля, флоидные ком-

'vOH.:LI КОНСЕРВАЦИИ ÎJKVvÛlLiX КСШОНКНТОВ Б У1ШЫЮМ ЬДЦЕСТВЕ

а) ассоцияция глобулярных ({aro- б) одиночное декретированное " идннх включен!'Ü с саттелит- включение;

ними вакуолями;

в) в дефектах надмолекулярной структуры Рас. 3

поиенты были "выжаты" из микровакуолей по внутримолекулярные и надмолекулярные дефекты, что и отражается на увеличении высокотемпературных максимумов декриптации и снижении низкотемпературных эффектов.

Вероятно, высокотемпературный максимум газовыделения на дек-риптограммах обусловлен не только разрушением клатратных соединений-включений, но и газообразованием за счет прямой термодеструкции угольного вещества и разделить эти эффекты не представляется возможным.

В "зоне флюидизации", где образуется камера выброса, геоди-иамическая ситуация способствовала, напротив, образованию фазовых флюидных включений разных генетических типов, что предопределило полимодальный характер вакуумных декриптограмм флюидизированных углей с относительным увеличением интенсивности низко-среднетем-пературных эффектов.

5.Установлены термобарогеохимичеокие факторы и критерии выб-росоопасности углей, проявляющиеся в полимодальной структуре дек-риптогрзмм, асимметричном характере декриптометрических эффектов, свидетельствующих о резко неравновесном состоянии системы "уголь-флюид", в появлении взрывных эффектов газовыделения в интервале температур 150-350°С, в генерации углями наряду с водородом, парами воды, окисью и двуокисью углерода, азота - ацетилена и других предельных и непредельных углеводородов.

Схема процессов угдеобрзвования в Донбассе может быть представлена таким образом (В.Г.Белоконь, 1981), что дегазация мантии давала начало двум параллельно развивавшимся процессам: генерации энергии углеобразования и выделению из магнии флюидов, несших элементы глубинного генезиса. Выделение флюидов давало начало процессам их миграции в осадочные образования и "пропарке" каменноугольных отложений химическими элементами глубинного происхождения (П.Ф.Иванкин, В.Н.Труфанов, 1987).

В связи с этим в Донецком бассейне, наряду с углеобразсвани-ем, широко проявились процессы локального гидротермального метасоматоза, приведшие к образованию месторождений и рудопроявлений

ртути '.Иикитовско?), золота (Кондаковское, Керчикское) и др.

Гкдсотермллыю-метасоматические процессы приводят к формированию вопруг выбросоопасных зон значительных по масштабам (десятки метров ) ореолов пропаривания, которые достоверно фиксируются современными методами вакуумной декриптометрии и хроматографии. К основным термобарогеохнмическим критериям прогнозирования аыбро-соопасиыу зон относится:

- закономернее изменение флюидоактивности углей и вметающих пород при подходе к выбросоопасной зоне, заключающееся в увеличении ?-показателя на удалении от 50 до 150-2С0 м от очага выброса с достижением максимума в "зоне флюидизации" и последующем его снижении в самом очаге;

- высокая дисперсия отношения показателя Рз для высокотемпературных эффектов гавовиделения (400-600®С) к низкотемпературным (Гц-г) показателям;

- изменение состава выделяющихся газов, заключающееся в увеличении относительного содержания тяжелых углеводородов И водорода по мере подхода к зыбросоопасной зоне при одновременном резком снижении содержания воды в "зоне бронирования";

- повышение палеотемператур на 50-70"С в периферии выбросоо-пасных очагов.

Основные опубликованные работы по теме диссертации

1.Термографические исследования антрацитов // Известия СКНЦ ВШ. Естественные науки. Ростов-на-Дону, 1980. N 2, с.61-63 (соавтор В.И.Косоуров).

2.Некоторые вопросы термобарогеохимии ископаемых углей // Угольные бассейны и условия их формирования. ч.2, Львов, 1930, с.81-82 (соавторы В.П.Бабенко, В.А.Косииский).

3. Некоторые особенности превращения углей при темобарогеохи-мкческих исследованиях // ХТТ, 1982, N 2, с.17-20 (соавтор В.А.Косииский).

4.Состав газообразных продуктов термической деструкции енг-рацитовых углей // Проблемы геологии, ресурсы полезных ископаемых и охрана окружающей среды. Ростов-на-Дону, 1983, с.84-85

5.Метрологическое обеспечение и стандартизация метода ваку-

умной декриптометрии и газовой хроматографии // Прикладная термобарогеохимия, Алма-Ата, 1988, с.44-45 (соавтор Н.С.Прокопов).

6.Возможности и перспективы изучения тверднх горючих ископаемых методом вакуумной декриптометрии. Обзор ВКЭМС, М., 1989, 46 с. (соавторы 8.А.Косинский, В.Н.Труфанов).

7. Углеводородная флюидизация ископаемых углей // Научно-технические достижения и передовой опыт в области геологии и разведки недр. М., 1991, N 6, с.3-17 (соавторы В.Н.Труфанов, С.Н.Труфанов).

8.Характерные особенности углей в зонах потенциальной выбро-соопасности (на примере пласта шз Ц.Донбасса) // Современные проблемы геологии и геохимии твердых горючих ископаемых, Львов, 1931, т.З, с.19-20 (соавторы Н.Т.Колесииченко, В.Г.Рнлов).

Э.Термобарогеохимические критерии выбросоопасности угольных пластов // Термобарогеохимия геологических процессов, Алекспяд-роэ, 1992, с.167-168 (соавторы В.Н.Труфанов, М.й.Гамов, В.Г.Ры-лов).

10.Прикладная термобарогеохимия. ИРУ, Ростов-на-До[{у, 1992, 17В с. (соавторы В.Н.Труфанов, А.Г.Грановский и др.).

11.Особенности формирования и термобарогеохимические критерии прогнозирования выбросоопасных зон в угольных пластах. Препринт, Иэд-во СКНЦ ВЯ, Ростов-на-Дону, 1993, 30 с. (соавторы В.Н.Труфанов, Н.Ф.Лосев и др.).

12.Закономерности распределения элементов-примесей в выбросоопасных зонах угольных пластов. Препринт, Изд-во СКНЦ ВШ, Рос-топ-на-Доку, 1993, 32 о. (соавторы В.Н.Труфанов, А.Ф.Лосева. В.И.Усачева и др.).