Механизм образования очагов газодинамических явлений в соляном пород

5.4. Калийные месторождения на побережье Мексиканского залива в штате Луизиана

Выбросы соли и газа — это сравнительно хорошо известное в США явление, которое характерно для калийных рудников в соляных куполах на побережье Мексиканского залива в штате Луизиана. Выбросы соли и газа происходят при ведении горных работ во всех пяти соляных купо­ лах. Большинство полостей выбросов соли и газа представляют собой вытянутые, практически вертикальные отверстия, уходящие в породы кровли на высоту до 60,0 м. Диаметр полостей изменяется от 1,0 до 10,0 м. Американские ученые рассматривают выбросы соли и газа как мегаскопические явления в соляных куполах, которые связаны с крупно­ масштабными геологическими нарушениями в соляных штоках. Однако при этом не рассматривается сам физико-геологический механизм обра­ зования очагов выбросов соли и газа. Анализ геологической информации по пяти соляным куполам побережья Мексиканского залива США свиде­ тельствует о приуроченности очагов выбросов слои и газа к ангидрито­ вым прослоям и блокам. В массиве соляных пород на участках развития выбросов соли и газа отмечается увеличение содержания ангидрита до 80 %, который представлен плитами мощностью 0,3-0,4 м. Слои ангид­ рита имеют падение от крутого до вертикального практически на всех участках рудников. При вскрытии слоев ангидрита шпурами и скважи­ нами отмечались интенсивные выделения газов и водных растворов. В местах выбросов соли и газа наблюдались эпигенетические изменения соляных пород. Выбросоопасные зоны расположены практически верти­ кально, что подтверждается направлением развития полостей при проте­ кании выбросов соли и газа. Вертикальная ориентация расположения выбросоопасных зон может быть обусловлена местной анизотропией строения массива соляных пород, соответствующей структурному строению участков с мощными ангидритовыми слоями. В рамках теории флюидогеодинамики физико-геологический механизм образования оча­ гов ГДЯ в соляных куполах на побережье Мексиканского залива США может быть представлен совместным действием гидродинамической и литодинамической систем. Флюиды этих систем были представлены газонасыщенными водными растворами и солями. Областью питания со­ лянокупольной структуры был пласт материнской соли, в состав которо­ го входили ангидритовые слои, содержащие газонасыщенные водные растворы. С началом роста соляного купола ангидритовые прослои раз­

рывались и вовлекались вместе с находящимися в них газонасыщенны­ ми водными растворами в восходящее движение по мере роста соляного купола. Область транзита литодинамической системы представлена со­ ляными куполами или штоками. В штоках и куполах разорванные фраг­ менты ангидритовых слоев занимали крутонаклонное или вертикальное положение. При этом в газонасыщенном водном растворе происходило выделение газа в свободную фазу за счет снижения пластового давления и роста минерализации при взаимодействии растворов с вмещающими соляными породами. Газонасыщенные блоки ангидритовых пород, захо­ роненные в соляном массиве, и прилегающие к ним соляные породы, подвергнутые эпигенезу и газонасыщению, представляют собой очаги выбросов соли и газа в соляных куполах.

Теории физико-геологического механизма образования очагов ГДЯ

вусловиях калийных месторождений представляют собой разработки автора, базирующиеся на известных и установленных в процессе экс­ плуатации калийных рудников фактах. Вполне понятно, что механизмы формирования очагов ГДЯ значительно сложнее, чем изложенные схе­ мы, и в сильной степени зависят от конкретных геологических условий. Однако основная схема формирования газонасыщенных зон соляных по­ род пониженной прочности на участках поглощения флюидодинамиче­ ских систем во всех случаях, вероятно, остается неизменной. Результаты исследований механизма образования очагов газодинамических явлений

вусловиях различных месторождений калийных солей дают теоретиче­ скую базу для разработки методов их прогнозирования и способов пре­ дотвращения. Разработка методов прогнозирования ГДЯ должна осуще­ ствляться на основе детальных исследований путей миграции и состава флюидов, особенностей взаимодействия флюидов с соляными породами

иистории геологического развития месторождений в целом.

Таким образом, результаты выполненных исследований по разра­ ботке теории физико-геологического механизма образования очагов газодинамических явлений показали, что в условиях калийных месторо­ ждений Индер, Кладова, Баулби, куполов побережья Мексиканского за­ лива в штате Луизиана образование очагов ГДЯ объясняется функциони­ рованием различных флюидодинамических систем, флюид которых был представлен газом или содержал газ. Очаги ГДЯ образовывались в зонах поглощения флюидодинамических систем при соблюдении условий их «экранированное™».

ЗАКЛЮ ЧЕНИЕ

Проблема газодинамических явлений в калийных рудниках насчи­ тывает более чем столетнюю историю. Однако ее решение долгое время оставалось, да и сейчас во многом остается связанным с интуицией, опы­ том и искусством горных инженеров. Теорию газодинамических явле­ ний нельзя считать сложившейся дисциплиной, так как в ней много бе­ лых пятен, препятствующих получению и применению многих теорети­ ческих решений, а также научному толкованию отдельных наблюдаемых фактов. Обострение сырьевой проблемы вынуждает вести добычу калийных солей все в более сложных геологических условиях и на больших глубинах. Это повышает ответственность за принимаемые решения и требования к их научному обоснованию. В связи с этим разра­ ботка теории физико-геологического механизма образования очагов га­ зодинамических явлений в соляном породном массиве является весьма актуальной задачей, так как эти представления являются основой для разработки методов прогноза и способов их предотвращения. Основные теоретические положения и научные результаты исследований заключа­ ются в следующем.

1. В условиях Верхнекамского месторождения калийных солей физи­ ко-геологический механизм образования очагов ГДЯ представляет собой единый процесс тектогенеза, миграции газонасыщенных водных раство­ ров, эпигенетических преобразований и аккумуляции газов в соляном по­ родном массиве. Образование очагов ГДЯ происходило на катагенетической стадии формирования месторождения, когда гидродинамический режим характеризовался блочно-тектоническим типом разгрузки седиментационных вод подсолевых отложений и глинистых отложений соле­ носной толщи. Движущей силой этой миграции являлось повышенное давление водных растворов. Путями транзита газонасыщенных водных растворов в соленосную толщу служили тектонические нарушения, обра­ зующиеся над стыками блоков подсолевых отложений. Процессы мигра­ ции газонасыщенных водных растворов имели пульсационный характер,

так как образование проводников в сильной степени зависело от интенсив­ ности движений блоков фундамента относительно 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».

3. Очаги газодинамических явлений в условиях Старобинского месторождения калийных солей образовались на стадии катагенеза в ре­ зультате функционирования гидродинамических систем, водные раство­ ры которых содержали растворенные газы. Областями питания гидроди­ намических систем служили водоносные горизонты глинисто-карбонат­ ных отложений соленосной толщи, а также межсолевых, подсолевых и, возможно, верхнепротерозойских отложений. Областями транзита гидродинамических систем служили разрывные тектонические наруше­ ния, образовавшиеся над стыками блоков кристаллического фундамента в результате активизации тектонических движений. Области поглоще­ ния гидродинамических систем при образовании очагов газодинамиче­ ских явлений располагались в породах III калийного горизонта.

4. Источниками свободного газа при образовании очагов газодина­ мических явлений служили водные растворы, содержащие газ. Выделе­ ние растворенных газов из водных растворов в свободную фазу происхо­ дило в две стадии. На первой стадии газы выделялись в свободную фазу за счет снижения пластового давления при миграции водных растворов в области с меньшим пластовым давлением, что приводило к нарушению равновесия в системе газ—раствор и частичной дегазации раствора. Рас­ четы показывают, что при снижении пластового давления раствора на 25 МПа, количество выделившейся газовой смеси азот—метан может

достигать 1 м3 на 1 м3 водного раствора. На второй стадии дегазация про­ исходила за счет «высаливания» газа при росте минерализации раствора в результате его химического взаимодействия с соляными породами. При насыщении водного раствора по NaCl из него может быть «высоле­ но» 0,69 м3 газовой смеси азот—метан на 1 м3 раствора.

5. Физико-геологический механизм образования очагов газодинами­ ческих явлений в породах III калийного горизонта представлял собой весьма сложный процесс галогенного метасоматоза. Функциональная система метасоматоза может быть представлена трехзонной моделью, включающей объемную первичную твердую фазу, рабочую граничную фазу и вторичную твердую фазу. Граничная фаза являлась рабочим орга­ ном функциональной системы метасоматоза и состояла из трех зон: за­ бойной, обменной и конденсационной. Очаги выбросов соли и газа фор­ мировались в условиях преобладания в системе метасоматоза работы за­ бойной зоны, которая приводила к образованию в центральной части мульд систем пустот и полостей, формировала область брекчированных, перемятых и перемешанных пород с низкой прочностью, высокими по­ ристостью и газоносностью. Количественная оценка агрессивности вод­ ных растворов, взаимодействующих с породами III калийного горизон­ та, выполненная на основе материального баланса в системе КС1 — NaCl — MgCl2 — Н20, показала, что при изменении концентрации NaCl от 70,0 кг до 370,0 кг/1000 кг Н20 агрессивность изменяется от 0,1867 до 0,05 м3/м3. При образовании очагов отжимов призабойной части пород и обрушений пород кровли в функциональной системе метасоматоза преобладала работа конденсационной зоны, а очаги газодинамических явлений в этом случае представляют собой обычные тела заполнения (интерсоматиты) или вторжения (интрасоматиты).

6. Установлено, что условия, необходимые для образования очагов газодинамических явлений в породах III калийного горизонта, были сле­ дующими: зоны поглощения гидродинамических систем располагались в породах III калийного горизонта; водные растворы были газонасыщен­ ными (содержали газ); функциональная система галогенного метасомато­ за была «экранированной». Невыполнение хотя бы одного из этих условий приводило к образованию невыбросоопасных метасоматических пород.

7.В условиях калийных месторождений Индер, Кладова, Баулби

икуполов побережья Мексиканского залива в штате Луизиана физи­ ко-геологический механизм образования очагов ГДЯ объясняется функ­

ционированием различных флюидодинамических систем, флюид кото­ рых был представлен газом или содержал газ. Очаги ГДЯ образовыва­ лись в зонах поглощения флюидодинамических систем при соблюдении условий их «экранированное™».

8. Главным условием сохранения очагов газодинамических явлений длительное геологическое время в соляном породном массиве является значение величины градиента давления газа на периферии очага. Если градиент давления превышал начальный градиент фильтрации, то газ рассеивался в окружающем массиве. При обратном соотношении этих величин, газ, принимая на себя часть литостатического и, возможно, тек­ тонического давлений, препятствовал восстановлению структурных свя­ зей пород массива в очагах ГДЯ. В результате этого низкая прочность со­ ляных пород, приобретенная при тектоническом дроблении,^метасома­ тозе и других процессах могла сохраняться очень длительное время. Такие изолированные системы в массиве соляных пород и являются ни чем иным, как очагами газодинамических явлений.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Валяшко М. Г. Геохимические закономерности образования месторожде­ ний калийных солей / М. Г. Валяшко.— М.: Изд-во МГУ, 1962.— 397 с.

2.Страхов Н. М. Основы теории литогенеза / Н. М. Страхов.— М.: Изд-во АН

СССР, 1962.— Т. 3.— 550 с.

3. Страхов Н. М. Типы литогенеза и их эволюция в истории Зем­ ли / Н. М. Страхов.— М.: Госгеолтехиздат, 1963.— 535 с.

4.Жарков М. А. Палеозойские соленосные формации мира / М. А. Жарков.— М.: Недра, 1974.— 392 с.

5.Иванов А. А. Галогенные формации / А. А. Иванов, М. Л. Воронова.— М.: Недра, 1972.— 328 с.

6.Созанский В. И. Геология и генезис соленосных образований / В. И. Созанский.— Киев: Наукова думка, 1973.— 198 с.

7.Калинко М. К. Соленакопление, образование соляных структур и их влия­ ние на нефтеносность / М. К. Калинко.— М.: Недра, 1973.— 129 с.

8. Кудрявцев Н. А. О закономерностях накопления ископаемых со­ лей / Н. А. Кудрявцев // Советская геология.— 1966.— № 7.— С. 17-36.

9.Посохов Е. В. Формирование хлоридных вод гидросферы / Е. В. Посо­ хов.— Л.: Гидрометеоиздат, 1977.— 248 с.

10.Высоцкий В. А. Калиеносные бассейны мира / В. А. Высоцкий, Р. Г. Гарецкий, В. 3. Кислик.— Минск: Наука и техника, 1988.— 387 с.

11.Фивег М. П. К вопросу о закономерностях накопления ископаемых со­ лей / М. П. Фивег // Советская геология.— 1968.— № 5.— С. 153-160.

12.Джиноридзе Н. М. Геологические этапы формирования калийных месторо­ ждений Предкарпатья и стадии динамотермального метаморфизма. Геологическая и минерало-петрографическая оценка распространения, качества руд и условий разработки калийных месторождений / Н. М. Джиноридзе.— Л., 1979.— С. 55-73.

13.Кудряшов А. И. Верхнекамское месторождение солей / А. И. Кудряшов.— Пермь: ГИ УрО РАН, 2001.— 429 с.

14.Петротектонические основы безопасной эксплуатации Верхнекамского ме­ сторождения калийно-магниевых солей / Н. М. Джиноридзе [и др.]; под ред. Н. М. Джиноридзе.— СПб., 2000.— 400 с.

15.Иванов А. А. Верхнекамское месторождение калийных солей/А. А. Ива­ нов, М. Л. Воронова.— Л.: Недра, 1975.— 219 с.

16.Белоликов А. И. Верхнекамское калийное месторождение / А. И. Белоликов, Б. И. Сапегин // Проблемы прогноза, поисков и разведки горно-хими­ ческого сырья СССР.— М.: Недра, 1971.— С. 193-209.

17.Копнин В. И. Стратификация соляной толщи Верхнекамского месторожде­ ния калийных солей / В. И. Копнин, М. А. Коротаев // Строение и условия формирования месторождений калийных солей.— Новосибирск: Наука, 1981.— С. 79-94.

18.Кудряшов А. И. Основные черты геологического строения Верхнекамского калийного месторождения / А. И. Кудряшов // Повышение эффективности разработки Верхнекамского калийного бассейна.— Пермь: Перм. кн. изд-во, 1986.— С. 6-20.

19.Яржемский Я. Я. Калийные и калиеносные галогенные породы7 Я. Я. Яржемский.— Новосибирск: Наука, 1967.— 136 с.

20.Методическое руководство по ведению горных работ на рудниках Верхне­ камского калийного месторождения.— М.: Недра, 1992.— 468 с.

21.Калийные соли Припятского прогиба/Р. Г. Гарецкий [и др.].— Минск: Наука и техника, 1984.— 182 с.

22.Девонские соленосные формации Припятского прогиба/Р. Г. ]Гарецкий [и др.].— Минск: Наука и техника, 1982.— 208 с.

23.Геология и петрография калийных солей Белоруссии.— Минск: Наука и техника, 1969.— 367 с.

24.Месторождения калийных солей СССР. Методы их поисков и развед­ ки / В. И. Раевский [и др.].— Л.: Недра, 1973.— 344 с.

25.Диаров М. Д. Калиеносность галогенных формаций Прикаспийской впади­ ны / М. Д. Диаров.— М.: Недра, 1974.— 128 с.

26.Кореневский С. М. Геология и условия формирования калийных месторож­ дений Прикаспийской синеклизы / С. М. Кореневский, М. Л. Воронова.— М.: Недра, 1966.— 280 с.

27.Долгих С. А. О строении одного из соляных куполов Прикаспия / С. А. Дол­ гих // Вестник АН Казахской ССР.— 1960.— № 6 (183).— С. 71-75.

28.Диаров М. Д. Закономерности размещения калийных солей одного место­ рождения Индерского купола / М. Д. Диаров, К. Т. Тухфатов // Известия АН СССР. Сер. геол.— 1974.— С. 156-160.

29.Выбросы соли и газа / Д. М. Шередекин [и др.] // Безопасность труда в про­ мышленности.— 1979.— № 8.— С. 51-53.

30.Пермяков Р. С. Технология добычи солей / Р. С. Пермяков, В. С. Романов, М. П. Бельды.— М.: Недра, 1981.— 272 с.

31.Дудко П. М. Подземное выщелачивание солей / П. М. Дудко.— М.: Недра, 1972.— 160 с.

32.Методические рекомендации по моделированию процесса создания камер растворением солей беспослойным способом.— М.: АН СССР, 1989.— 23 с.

33.Gimm W. Ubersicht uber die bischer von der Forschungsgemeischft «Mineralgebundene Gase» bcarbeiteten Probleme sowie Ergebnisse der Forschungsarbeiten / W. Gimm.— Freib. Forsch.— H., A, 304. 1964.— S. 5-49.

34.Oelsner O. Ergebnisse neuer Untersuchungen in C 02 — fiihrenden Salzen des Werrarevicrs / O. Oelsner.— Freib. Forsch.— H., A, 183. 1961.— S. 5-19.

35.Wolf H. Zur Aerodynamir der plotzlichen Ausbruche von Salz und Gas im Werra-Kalibergbau. Dissertation / H. Wolf.— Techn. Universitat, Dresden, 1965.— 165 s.

36.Hoffmann K. Gasanalytiche Untersuchungen der Salzgase des Sudharz — und Werragebiets / K. Hoffmann.— Bergakad., 1963.— S. 19-27.

37.Baar A. Uber gleichartige Gebirgeverformungen durch berymannischen Abbau von Kaliffozen in geologischer Vergangeheit / A. Baar.— Freiberger Forsch.— H., A., Berlin, Bd 123, 1959. S. 137-159.

38.Eigenfeld R. Tertiarer Vulkanismus der Rhon.— Fortschr. Mineral / R. Eigenfeld, B. Ficke.— Berlin, Bd 141, 1963. S. 46-63.

39.Кох К. О базальтовых интрузиях в соленосной свите калиеносного бассейна Верра / К. Кох // Строение и условия формирования месторождений калий­ ных солей.— Новосибирск: Наука, 1981.— С. 21-31.

40.Rosier Н. J. Zur Petrographie, Geochemie und Genese der Magmatite und Intrusion des Oberdevons und Unterkarbons in Ostthuringen / H. J. Rosier.— Freiberger Forsch.— C, Berlin, Bd 92, 1960. S. 89-106.

41.Baar C. A. Ursachen und Mechanik der Gebirgsschlage und anderer Gebirgsdruckauswizkungen im mitteldentschen Kalibergbau / C. A. Baar.— Bergbautechnir, 1954. S. 18-27.

42.Wolf H. Aerodynamiche Wirkungen der bei Ausbruchen von Salz und Gas freiwerdenen. Vortag / H. Wolf // Intemation. Kollogu. Plotzl. Ausbruche. Peis,

1963. S. 182-194.

43. Hasemann W. Das Ankaratritvjrkommen im Kalisalzlager von Buggingen in Baden/W . Hasemann/ / Vitteilungsblatt der Badischen Geologischen Landesanstalt. 1951. S. 112-134.

44.Wimmenauer W. Petragraphische Untersuchungen uber das Ankaratrit-Vorkom- men im Kalisalzlager von Buggingen in Baden. Mitteilungsblatt der Badischen Geologischen Landesanstalt / W. Wimmenauer.— 1951. S. 18-32.

45.Иванов А. А. Интрузии магматических пород в галогенных формациях /

А. А. Иванов/ / Геология соляных и калийных месторождений: тр. ВСЕГЕИ. Т. 161.— Л., 1968.— С. 117-131.

46. Атрашкевич А. А. Разработка калийных месторождений за рубежом / А. А. Атрашкевич, В. М. Соколов, М. П. Фивег.— М.: Госхимиздат, 1952.—

136с.

47.Fine J. Gefahrdung der Stand fcstigkcit dcs Grubengebau des durch

Gebirgsschlage und Einsturze. Vartag, Intemation. Konfer / J. Fine.— Schichtenkoutz. Gebirgsmechanik. New York, 1964. S. 382-394.

48. Michel B. Recherche sur les proprietes mecaigye du Sel gemme aux mines domaniales du potasse d’Alse. Comptes ren dus du premier congres de la Societe international de mecanigue dts Roches/В . Michel.— Lissabone, 1966.

P.184-192.

49.Vigier T. Untersuchungen uber die Bewegungen der Gebirgsschichten und die Erforschung der Anomalien in den Staatlichen Kaligruben des ElsaP / T. Vigier,

G.Panczuk // Rev. ind. miner. 43. 1961. S. 643-656.

50.Gostoli M. Seismische Untersuchung der Gebirgsbewegungen in den Staatlichen Elsassischen Kaligruben. VerofFentl. Inst. Gerchar F 312/M . Gostoli.— Paris, 1963.— S. 186-204.

51.Boury J. Le Trias d’Aquitaine et ses relation avec le Trias des Pyrenees et du bassin de l’Ebro/J. Boury, J. Stevaux, E. Winock/ / Bull. Bur. Rech. geol. minier.— 1977.— Sec IV, № 3.— P. 215-224.

52. Meriaux M. Connaissances actuelles sur la potasse en France / M. Meriaux,

E.Gannat// An. Mines. 1980, № 7-8. P. 167-176.

53.Moga Esponda J. La industria espanola de la potasa/J. Moga Esponda // Ind. Miner. (Esp). 1983. Vol. 25, № 230. P. 11-17.

54.Pueyo Mur J. J. Estudio geoguimico preliminar de diversas minestras salinas de Sekkent у Balsareny (Barselona, Espana) / J. J. Pueyo Mur // Acta Geol. Hisp. 1972. Vol. 7, № 2. P. 59-61.

55.Litonski A. Gasgefahr in den polnischen Salzgruben und Methoden zu ih rer Bekampfung / A. Litonski, M. Bialy. Vortrag, III Itemation. Kollogu. plotzl. Ausbruche. Krakow, 1964. S. 94-102.

56.Polorski G. Uber die Untersuchungen in das fuh renden Gesteinen im Kujawy/G. Polorski, J. Polorski/ / Revier. Vortag, III Intemation Kollogu. plotzl. Ausbruche. Krakow, 1964. S. 128-136.

57.Swidzinski A. Zagadnienie Wyzzutow soli i gazow w swiatowym gomictwie solnym. C. Z. P. / A. Swidzinski // Wiadomosci gomicze. 1981, № 8-9. S. 237-240.

58.Чельтон Ф. Проблемы выбросов газа / Ф. Чельтон, Дж. Робинсон // Ежегод­ ный обзор развития горной технологии в мире. Минтех-89.— Лондон, 1989.— 326 с.

59. Woods Р. J. Е. Potash exploration in Yorkshine: Boulby mine pilon borehole/ P. J. E. Woods // Inst. Mining. MetallurgeTrans. 1973. Vol. 82, sec. В. P. 99-106.