Механизм образования очагов газодинамических явлений в соляном пород

в свободную фазу за счет снижения пластового давления при миграции растворов в области с меньшим пластовым давлением, что приводило к нарушению равновесия в системе газ — раствор и частичной дегазации раствора. При снижении пластового давления на 25 МПа количество вы­ делившейся из водного раствора газовой смеси азот — метан может дос­ тигать величины 1 м3 на 1 м3 раствора. На второй стадии дегазация проис­ ходила за счет «высаливания» газа при росте минерализации раствора в результате его химического взаимодействия с породами III калийного горизонта. При насыщении водного раствора по NaCl из него может быть «высолено» 0,69 м3 газовой смеси азот — метан на 1 м3 раствора.

3. Миграция водных растворов в породах III калийного горизонта сопровождалась химическим воздействием, поскольку соли обладают очень высокой растворимостью. Количественная оценка агрессивности водных растворов, воздействующих на породы III калийного горизонта, выполнена на основе материального баланса в системе NaCl — КС1 — MgCl2 — Н20 и дана в виде объема выщелаченного минерала, приходя­ щегося на единицу объема агрессивного раствора. Значение агрессивно­ сти водных растворов относительно пород III горизонта при изменении концентрации NaCl от 70,0 кг/1000 кг Н20 до 370,0 кг/1000 кг Н20 изме­ няется от 0,1867 M V M 3 до 0,05 м3/м3. Результаты количественной оценки агрессивности водных растворов позволяют считать ее вполне достаточ­ ной для выщелачивания и образования пустот, полостей, зон локальных эпигенетических изменений в породах III калийного горизонта.

4. Физико-геологический механизм образования очагов ГДЯ в поро­ дах III калийного горизонта представлял собой весьма сложный процесс галогенного метасоматоза. Функциональная система метасоматоза мо­ жет быть представлена трехзонной моделью, включающей первичную объемную твердую фазу, рабочую граничную фазу и вторичную твер­ дую фазу. Граничная фаза являлась рабочим органом функциональной системы метасоматоза и состояла из трех зон: забойной, обменной и кон­ денсационной. Очаги выбросов соли и газа формировались в условиях преобладания в системе метасоматоза работы забойной зоны, что приво­ дило в центральной части мульды к образованию системы пустот и по­ лостей, формированию области брекчированных, перемятых и переме­ шанных пород с низкой прочностью и высокой пористостью. При обра­ зовании очагов отжимов призабойной части пород и обрушений пород кровли в функциональной системе метасоматоза преобладала работа

конденсационной зоны, а очаги ГДЯ в этом случае представляли собой обычные тела заполнения или вторжения.

5. Необходимые условия для образования очагов газодинамических явлений в породах III калийного горизонта были следующими: зона по­ глощения гидродинамической системы располагалась в породах III гори­ зонта; водные растворы были газонасыщенными (содержали газ); функ­ циональная система галогенного метасоматоза была «экранированной». Невыполнение хотя бы одного из этих условий приводило к образова­ нию невыбросоопасных метасоматических пород.

V. ГИ П ОТЕЗЫ Ф ИЗИКО ГЕОЛОГИЧЕСКОГО М ЕХАН И ЗМ А ОБРАЗОВАНИЯ ОЧАГОВ ГАЗОДИНАМ ИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В УСЛОВИЯХ

ДР УГ И Х КАЛИЙНЫ Х М ЕСТОРОЖ ДЕНИЙ

5.1.Индерское борно-калийное месторождение

Индерское борно-калийное месторождение расположено в пределах соляного купола Индер и отличается сложными дислокацией соляных пластов и составом пород. Соляная толща месторождения представлена серой каменной солью и серией борно-калийных пластов мощностью 3,0-15,0 м с углами падения 70-75°. Ангидритовые прослои, заключен­ ные в калийных солях, представляют собой отдельные угловатые блоки, разобщенные каменной солью. Для месторождения характерны весьма сложная тектоника и морфология. Разведочные выработки на глубине 300 м проходились по сетке 100 х 100 м. При проведении разведочных выработок по пластам и вмещающим породам наблюдались ГДЯ — вы­ бросы соли и газа из кровли, стенок и почвы. При бурении шпуров и гео­ логоразведочных скважин отмечались газовыделения, вынос штыба и бурового инструмента. Полости выбросов соли и газа имеют шарооб­ разную, эллипсовидную, конусообразную или блокообразную форму. В контуре полостей обнаруживается один или несколько центров разви­ тия выбросов. Иногда число таких центров доходило до пяти. В неодно­ родных породах и в местах тектонических нарушений полости выбросов имеют блокообразную форму различной конфигурации. От полостей иногда прослеживаются ответвления или трещины с раскрытием 0,1-0,15 м, уходящие вглубь массива на 10,0-15,0 м. Свободные газы, выделяющиеся при ГДЯ, состоят преимущественно из метана (93-99 %) и в незначительных количествах содержат тяжелые углеводороды и азот. Физико-геологический механизм образования очагов ГДЯ на Индерском

месторождении в настоящее время не установлен. Результаты изучения тектонического строения Индерского месторождения и механизм преоб­ разования соляных пород месторождения довольно детально изложен в работах [23, 97, 180, 181]. Представляется, что структура Индерского месторождения разделена на серию субпараллельных друг другу текто­ нических блоков северо-западного простирания (рис. 5.1). Внутри бло­ ков соляные породы смяты в изоклинальные складки различного поряд­ ка, замыкающиеся по нижнему рудному горизонту на глубинах 1,0-1,3 км. По восстанию и падению пород границы тектонических бло­ ков сходятся или расходятся, но могут быть и параллельны друг другу. Следует более подробно остановиться на нарушениях, разграничиваю­ щих тектонические блоки. Одно из таких нарушений северо-западного простирания, являющееся границей между блоками № 7 и № 8, просле­ живается вдоль всего месторождения. Это нарушение получило у геоло­ гов рудника название «зона нефтепроявления». Во всех случаях пересе­ чения этой зоны горными выработками и геологоразведочными скважи­ нами наблюдались битумо- и нефтепроявления, суфлярные газовыделения, выбросы соли и газа. В пределах этой зоны отмечались многочисленные трещины, согласные напластованию, иногда секущие породы под небольшим углом. Трещины заполнены битумом, карналли­ том, галитом, реже сильвинитом, местами они являются зияющими вследствие выноса карналлита свободным газом. Ряд признаков указы­ вает на то, что «зона нефтепроявления» представляет собой в действи­ тельности сдвиг с перемещением блока № 8 в северо-западном направле­ нии. Другим признаком выделения границ тектонических блоков являет­ ся присутствие в разрезе тектонитов, представленных глыбами слоистых ангидритов или глинистыми породами, не соответствующими данному разрезу. Вблизи глыб ангидрита отмечались выделения рассолов, выбро­ сы соли и газа, суфлярные газовыделения. На контакте с глыбами ангид­ рита каменная соль бывает пропитана битумом. Еще одним критерием выделения границ тектонических блоков могут служить зоны перекри­ сталлизации каменной соли, линейно вытянутые в северо-западном на­ правлении. Зоны вторичной, перекристаллизованной каменной соли так­ же характеризуются нефтепроявлениями, суфлярными газовыделениями, выбросами соли и газа. Не все границы тектонических блоков могут быть отнесены к сдвиговым нарушениям, некоторые из них могут пред­ ставлять собой взбросы (крутые надвиги), но несомненна линейность и единое северо-западное простирание всех разрывных и пликативных

Рис. 5.1. Тектоническая схема Индерского борно-калийного месторождения [97]: 1 —

границы тектонических блоков; 2 — породы «главного ангидрита»; 3 — тектонит гли­ нистых пород; 4 — сдвиговые границы тектонических блоков; 5 — взбросы и другие на­ рушения; 6 — шахтный ствол; 7 — разведочные горные выработки; 8 — номера текто­ нических блоков

дислокаций. Это указывает на существенную роль тангенциального сжа­ тия в формировании современной структуры месторождения. Таким об­ разом, в условиях Индерского месторождения установлена явная про­ странственная связь между зонами развития ГДЯ, границами выделен­ ных тектонических блоков и зонами эпигенетических преобразований соляных пород. Следует отметить, что в отдельных случаях зоны, опас­ ные по газодинамическим явлениям, могут быть несколько шире, чем зо­ ны сдвига или взброса. Это объясняется наличием «оперяющих» трещин и разрывов вблизи зоны сдвига или взброса. Анализ геологического

строения месторождения и мест развития ГДЯ показывает, что очаги га­ зодинамических явлений располагаются на путях миграции в катагенетическую стадию эволюции месторождения флюидов, представленных газами, битумами, нефтями и водными растворами. Участки пересече­ ния подземными горными выработками границ тектонических блоков, «оперяющих» трещин и сколов, а также областей, представленных эпи­ генетическими породами, являются опасными по ГДЯ зонами. Физи­ ко-геологический механизм образования очагов ГДЯ в условиях Индерского месторождения может быть описан следующим образом. На ста­ дии катагенеза активизация тектонических движений сопровождалась образованием зон нарушений, представленных сдвигами и взбросами. Зоны сдвигов и взбросов служили путями восходящей миграции флюи­ дов, содержащих газ или представленных газом из подстилающей соле­ носные отложения толщи пород. Такими флюидами были углеводород­ ные газы, нефти, битумы и водные растворы. Флюиды по путям транзита (границам тектонических блоков, «оперяющим» трещинам и трещинам скола) мигрировали вверх по разрезу и поглощались породами соленос­ ной толщи, образуя в благоприятных условиях очаги ГДЯ. По сути своей эти очаги ГДЯ являются интерсоматитами, т. е. телами заполнения газом различного рода трещин, пустот и полостей в соляном породном масси­ ве. При соблюдении известных условий, они могли сохраняться в масси­ ве длительное геологическое время. Следует отметить, что если флюид был представлен водным раствором, то он участвовал в эпигенетических преобразованиях соляных пород, результатом которых являлись зоны газонасыщенных вторичных солей. При наличии в зонах поглощения флюидов латеральных проводников очаги ГДЯ могли образовываться на некотором удалении от главных путей транзита. В физико-геологиче­ ском механизме образования очагов ГДЯ на Индерском месторождении есть определенные нюансы. Очаги газодинамических явлений могли образовываться при участии газо-, гидро- и литодинамических систем. При восходящей миграции флюида могло происходить (вследствие па­ дения пластового давления) его расслоение на газообразную и жидкую фазы. Дальнейшая миграция флюидов происходила раздельно, но по од­ ной области транзита. Участие литодинамической системы проявилось при галокинезе в вовлечении в восходящую миграцию соляных масс глыб ангидрита вместе с находившимися в них флюидами. Глыбы ангид­ рита вместе с флюидами были захоронены в практически непроницае­ мом соляном массиве и под действием тектонического и литостатиче­

ского давлений могли стать очагами ГДЯ. Физико-геологический меха­ низм образования очагов газодинамических явлений в условиях Индерского месторождения дает теоретические предпосылки для разра­ ботки эффективных методов прогноза опасных зон при ведении подзем­ ных горных работ.

5.2.Калийные месторождения Республики Польши

ВПольше газодинамические явления происходят в руднике «Кладо­ ва», производящем добычу калийных солей в соляном куполе. Геология этого калийного района характеризуется весьма сложными тектонически­ ми условиями. Соленосные отложения состоят из 10 блоков и характери­ зуются сложной складчатостью. Складки при большой амплитуде имеют малую длину. Тектоника блока представлена сколом антиклинальных час­ тей ядра и прорывом в центральной части отложений более древних солей, выклиниванием и нарушением последовательности напластований. Уча­ стки развития ГДЯ во многом определяются тектоническими условиями (рис. 5.2). Тектонические нарушения обнаружены во всех соленосных от­ ложениях. Отмечаются эпигенетические образования солей, обладающие крупно-кристаллической структурой и динамометаморфизованной ори­ ентировкой. Газ, содержащийся в соленосных породах, различен по соста­ ву. Примерно в 70 % газодинамических явлений в составе газов преобла­ дали газы углеводородные. Однако были случаи, когда в составе газов со­ держание азота составляло 97,7%. Газодинамические явления локализуются в зоне, которая представляет собой границу между древни­ ми и молодыми солями. Эта зона приурочена к протяженному сдвигу и представляет собой область раздробленных пород. В ее пределах из древ­ ней каменной соли выходит свита нефтеносных доломитов, содержащих следы битумов. Более 90 % выбросов соли и газа связано с этой зоной. Вы­ бросы соли и газа, при протекании которых выделяется главным образом азот, связаны с участками развития эпигенетических пород, представлен­ ных брекчированными, нарушенными, слоистыми глинисто-соляными породами. В таких зонах иногда отмечаются выделения насыщенных вод­ ных растворов. Анализ геологических условий проявления выбросов соли

игаза показывает, что их очаги расположены на путях миграции газонасы­ щенных флюидов. По-видимому, в условиях соляного купола функциони­ ровало два типа гидродинамических систем. В первом типе гидродинами­ ческой системы флюид был представлен газообразными и жидкими угле-

ричными минералами, и древних солей с молодыми. Выбросы соли из зон поглощения данной гидродинамической системы сопровождались выде­ лением газов с преобладанием в компонентном составе азота. Таким обра­ зом, на калийном месторождении образование очагов выбросов соли и га­ за связано с функционированием в геологическом прошлом гидродинами­ ческих систем, флюид которых был представлен газом или содержал газ.

5.3.Калийное месторождение Баулби

ВАнглии газодинамические явления происходят на месторождении Баулби, где функционирует один калийный рудник. Газодинамические явления происходят из кровли и забоя горных выработок. Как правило, они приурочены к пласту «карналлитового мергеля» (глинисто-соляным породам). «Карналлитовый мергель» является высокопористой, слабо­ связанной породой. Глинисто-соляные породы этого пласта ослаблены многочисленными крутопадающими перегибами и раздувами, в преде­ лах которых развита трещиноватость. Абсолютное большинство газоди­ намических явлений приурочено к таким зонам. При ГДЯ, происходя­ щих в виде выбросов соли и газа, а также обрушений пород кровли, со­ провождающихся газовыделениями, выделяется газ, в составе которого преобладают азот (до 80 %) и углеводородные газы (до 20 %). Анализ геологических условий проявления ГДЯ на месторождении Баулби пока­ зывает, что физико-геологический механизм образования их очагов вполне соответствует условиям функционирования гидродинамической системы, флюид которой содержал газ. Вблизи мест ГДЯ отмечались зо­ ны замещения сильвинитовых пород вторичной каменной солью, трещи­ ны, заполненные вторичными минералами. Эти факторы позволяют предполагать, что флюид в гидродинамической системе был представ­ лен газонасыщенными водными растворами. Источниками газонасы­ щенных водных растворов служили породы, подстилающие соленосные отложения. Газонасыщенные водные растворы и в настоящее время обнаружены при бурении геологоразведочных скважин с поверхности

впластах магнезиального известняка и пенсильванской свиты пластов (рис. 5.3). Путями транзита водных растворов при их восходящей мигра­ ции служили зоны тектонических нарушений, представленные на место­ рождении взбросами и надвигами. Областями поглощения гидродина­ мической системы служили наиболее слабые, пористые и рыхлые поро­ ды, представленные глинисто-соляными разностями («карналлитовым