Механизм образования очагов газодинамических явлений в соляном пород

Рис. 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

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».

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-