Механизм образования очагов газодинамических явлений в соляном пород

В странах СНГ газодинамические явления происходят при ведении подземных горных работ на трех месторождениях калийных солей: Старобинском (Республика Беларусь), Верхнекамском (Российская Федера­ ция) и Индерском (Республика Казахстан). Гипотезы физико-геологиче­ ского механизма образования очагов ГДЯ изложены в ограниченном числе научных работ.

На Старобинском месторождении калийных солей газодинамические явления в виде выбросов соли и газа, обрушений пород кровли, сопровож­ дающихся газовыделениями, и отжимов призабойной части пород проис­ ходят с начала его отработки. Первые предположения о механизме обра­ зования очагов ГДЯ неоднократно высказывались в устной форме д. г.-м. н., проф. А. Е. Ходьковым. Суть их сводилась к тому, что образова­ ние очагов ГДЯ на месторождении происходило в результате разгрузки постседиментационных вод. В одной из своих научных работ А. Е. Ходьков сформулировал гипотезу, в соответствии с которой образование вы­ бросоопасных геологических структур — мульд на III калийном горизон­ те обусловлено спецификой взаимного расположения слагающих геоло­ гический разрез месторождения толщ. Каждая вышерасположенная толща является фацией более высокой стадии эвапоритового процесса, а мульды образовались в результате флюидогеодинамической разгрузки постседиментационных вод на стадиях диагенеза и катагенеза [79]. Меха­ низм образования выбросоопасных геологических структур — мульд представлялся А. Е. Ходьковым следующим образом. На стадии диагене­ за-катагенеза из уплотняющегося глинистого пласта вытеснялась вода, со­ держащая растворенный в ней азот воздушного происхождения. Вода, недонасыщенная хлористыми солями, через колонну разгрузки в подсти­ лающей каменной соли поднималась снизу к III калийному горизонту и по закону формирования камеры подземного растворения размывала его по­ роды. При этом в породах образовывалась воронкообразная полость, в ко­ торую опускались и обрушались претерпевшие различные изменения об­ ломки и остатки пород III калийного горизонта, а также накапливались «высаливающиеся» из концентрирующихся растворов газы. Пласт камен­ ной соли, перекрывающий III горизонт, сыграл роль газоизолирующего экрана, который обеспечил длительную в геологическом времени консер­ вацию газа в виде своеобразного микроместорождения, каким являются рассматриваемые структуры. Отдавая должное оригинальности предло­ женной гипотезы механизма формирования очагов выбросов соли и газа,

следует отметить, что в данной работе намечены только основные конту­ ры механизма образования выбросоопасных зон. Предложенный меха­ низм недостаточно разработан, так как неясны пути транзита поднимаю­ щихся вод, их области питания, состав, газонасыщенность и механизм формирования газовых ловушек. Вызывает определенные сомнения тезис об основной роли механизма «высаливания» газов из водных растворов, так как подстилающая каменная соль, галитовые и сильвинитовые слои нижней промышленной пачки III горизонта отличаются весьма незначи­ тельным содержанием микровключенных газов. Тем не менее данная ра­ бота дала определенный импульс развитию теории механизма образова­ ния выбросоопасных зон на Старобинском калийном месторождении.

Иной механизм образования выбросоопасных зон в условиях Старобинского месторождения был описан д. г.-м. н., проф. И. А. Одесским, К. Л. Кокоревой, к. т. н. Ю. Г. Сиренко и др. [80-82]. Основные положе­ ния гипотезы о предполагаемом физико-геологическом механизме бази­ руются на фотодокументации небольшого геологического нарушения, вскрытого при проходке подготовительной выработки (рис. 1.18). По мне­ нию авторов, в основании мульды располагается диапир небольших раз­ меров, выполненный пластичными породами. На основании этого факта устанавливается непосредственная связь диапира с мульдой и воссоздает­ ся общая картина формирования выбросоопасных мульд. В основе меха­ низма лежит различие в плотностных характеристиках пород, которое приводило к неравномерному распределению по площади геостатического давления. Это вызывало перемещение пластичных масс горных пород и диапиризм. Предполагается, что в тех местах, где в разрезе преобладали галопелиты, в силу их высокой водонасыщенности геостатическое давле­ ние, при прочих равных условиях, было минимальным. Поэтому именно к этим участкам было направлено течение пластичных масс. Далее разви­ тие диапиризма должно было привести к возникновению тектонических напряжений отрыва в вышележащих породах, которые реализовались в появлении густой сети микротрещин типа кливажа, создавая, таким об­ разом, возможность для циркуляции подземных вод. Источником таких вод, по мнению авторов, могли быть галопелиты, из которых эти воды вы­ жимались вследствие возрастающего геостатического давления. Эти воды обладали слабой насыщенностью солями и отличались агрессивностью по отношению к легкорастворимым породам, вызывая их растворение и ос­ вобождение заключенного в них газа. Пространство, в котором происхо­ дила циркуляция растворов, ограничено областью распространения мик-

тенсивность протекания процессов катагенеза; близость газодинамиче­ ской зоны к апикальной части мульды; отсутствие или редкая сеть разгру­ зочных тектонических макротрещин. Соглашаясь с авторами в вопросе о роли отжимающихся вод в процессе формирования зон замещения, трудно согласиться с их точкой зрения на механизм формирования зон трещиноватости и роль микровключенного газа. Если вернуться к рис. 1.18 и предположить, что раздув слоя глины произошел в результа­ те выщелачивания части сильвинитового слоя отжимающимися водными растворами и образования дефицита твердой фазы, то предположения о ведущей роли диапиризма становятся весьма надуманными. Кроме это­ го, в пределах Старобинского месторождения в подстилающих породах формы проявления диапиризма не обнаружены. Нельзя также согласиться с определяющей ролью микровключенных газов в общем балансе газов, находящихся в породах мульд. Если исходить из образования мульд в диакатагенетическую стадию, то выщелачивание может привести только к раскрытию преимущественно первичных включений в кристаллах. С учетом этого обстоятельства невозможно представить механизм, за­ ставляющий газ перемещаться с фронта перекристаллизации к центру мульды, т. е. в сторону более высоких давлений. Кроме этого, известно, что при перекристаллизации соляных пород количество газово-жидких включений в кристаллах обычно не только не уменьшается, а, напротив, возрастает. В таких вторичных минералах газ и находится под большим давлением (величина давления может достигать более 10 МПа). Не под­ тверждается практикой ведения горных работ на Третьем калийном пла­ сте и положение авторов, что «... наиболее опасные газодинамические яв­ ления возникали в случае охвата описанными процессами значительных площадей, т. е. формирования наиболее крупных мульд погружения» [83, с. 71]. Многолетняя практика ведения горных работ свидетельствует о том, что выбросы соли и газа происходят из мульд как диаметром 3-4 м, так и диаметром 15-20 м, однако не было зарегистрировано ни одного случая выбросов соли и газа из мульд диаметром более 30 м. Кроме того, подобные генетические построения авторов никак не объясняют отсутст­ вие выбросов соли и газа из мульд при значительной вариации их разме­ ров на шахтном поле рудника 4 РУ. Следовательно, данная гипотеза не объясняет механизм формирования скоплений свободного газа в зонах, опасных по газодинамическим явлениям.

Механизм образования выбросоопасных зон в условиях Старобин­ ского месторождения в ряде работ объясняется активизацией тектониче-

ских движений и последующим преобразованием пород III калийного горизонта под воздействием рассолов, отжимающихся из соленосной толщи [84-86]. Авторы указывают, что рассолы проникали в породы III калийного горизонта по трещинам и малоамплитудным разрывным нарушениям. Вторичные преобразования сильвинита в карналлит могли сопровождаться концентрацией напряжений на локальных участках за счет увеличения объема пород примерно на 30 % [84]. Эта гипотеза име­ ет следующие слабые стороны. Одна из них — неочевидность положе­ ния о концентрации напряжений в мульдах погружения. Результаты вскрытия мульд горными выработками показали брекчированность цен­ тральных частей мульд и явные следы обрушения блоков карналлитовых пород из вышележащей глинисто-карналлитовой пачки. Вторая слабая сторона— отсутствие объяснения образования очагового скопления газа в пределах мульд. В предлагаемой гипотезе констатируется сам факт на­ хождения скоплений свободного газа в мульдах без указания источников газа и механизма его аккумуляции. Таким образом, и в этой гипотезе не было предложено какого-нибудь удовлетворительного объяснения фи­ зико-геологического механизма образования очагов ГДЯ в условиях Старобинского месторождения.

Экзотическую гипотезу физико-геологического механизма образова­ ния очагов ГДЯ в условиях Старобинского месторождения сформулиро­ вал к. т. н. В. В. Мещеряков [87]. В своей работе автор указывает на воз­ можное астроблемное происхождение очагов ГДЯ, которые образовались вследствие метеоритных ударов и последующей аккумуляции энергии в локальных участках массива соляных пород. Отдавая должное литера­ турному изложению и оригинальности гипотезы, необходимо отметить полное отсутствие научного обоснования высказанных положений.

На Верхнекамском месторождении калийных солей газодинамиче­ ские явления происходят при отработке всех трех промышленных пла­ стов — Красный II (Кр. II), АБ и В. В настоящее время на физико-геоло­ гический механизм образования очагов ГДЯ существует два альтерна­ тивных взгляда. В первом случае формирование очагов ГДЯ, происходящих при отработке сильвинитовых пластов, связывается со складчатыми структурами отслоения в шарнирных зонах складок изгиба и ядрах блокированных складок [88-90]. Считается, что в процессе фор­ мирования очагов ГДЯ складчатые структуры отслоения выполняют две функции: во-первых, они формируют «газовый коллектор» и зону пони-

женной прочности пород и, во-вторых, собирают газ с окружающих уча­ стков пласта по принципу вакуумного насоса [89]. Авторы считают, что складчатая структура отслоения — это не зияющие пустоты, а тела, вы­ полненные вторичными минералами (молочно-белым сильвинитом, кристаллически-зернистым галитом, лимонно-желтым карналлитом и т. д.). Поскольку образование структур протекает на стадии диагенеза осадков, процессы аккумуляции газа и образования новых минералов идут одновременно, что и обуславливает в конечном счете консервацию газа и формирование зон пониженной прочности. Трудно согласиться с авторами данной гипотезы в отношении вопроса образования вторич­ ных минералов и аккумуляции газов в стадию диагенеза. Если осадки были еще не консолидированы, то как мог сформироваться «газовый коллектор» и образоваться структуры отслоения? В рамках данной гипо­ тезы также нет ответа на вопрос об образовании линз каменной соли

всильвинитах на локальных участках 1 -2 м, как и нет ответа на вопросы, за счет чего происходили перекристаллизация каменной соли и образо­ вание вторичных карналлитов. Без ответов на данные вопросы невоз­ можно объяснить физико-геологический механизм образования очагов ГДЯ, происходящих при отработке сильвинитовых пластов на Верхне­ камском месторождении.

Основные положения альтернативной гипотезы сформулированы

вработах [13,91,92,96]. Контуры гипотезы механизма образования оча­ гов ГДЯ на Верхнекамском месторождении изложены в работах [91, 92, 96]. Гипотеза механизма образования очагов ГДЯ базируется на пред­ ставлениях флюидогеодинамики. Предполагается, что в стадию катаге­ неза Верхнекамское месторождение не было изолировано от окружаю­ щих его подземных вод. Подсолевое ложе месторождения, как известно, разбито на блоки [93-95]. Движение блоков относительно друг друга, об­ разование зон проницаемости и высокое давление газонасыщенных рас­ солов в подстилающей толще предопределили процесс их проникнове­ ния внутрь соляной толщи. Движение газонасыщенных рассолов осуще­ ствлялось по путям миграции, которые представляли собой единую гидравлически связанную систему макро- и микрополостей. По прекра­ щении движения газонасыщенных рассолов единая система распадалась на части, образуя серию квазиизолированных более мелких систем пус­ тот, заполненных газонасыщенным рассолом. В зависимости от конкрет­ ных условий локальные системы пустот исчезали или сохранялись неоп­

ределенно длительное время. Рассолы, обладая высоким давлением, пре­ пятствовали восстановлению структурных связей между зернами. В результате низкая прочность пород, приобретенная при тектониче­ ском дроблении массива, выщелачивании калийных минералов и других эпигенетических процессов, может сохраняться очень длительное время. Такие изолированные системы заполнялись газом, выделившимся из рассолов при изменении термобарических условий, и вместе с вмещаю­ щими их породами являлись не чем иным, как очагами газодинамиче­ ских явлений.

Для условий Индерского борно-калийного месторождения сущест­ вует два взгляда на механизм образования очагов газодинамических яв­ лений. Авторы гипотезы «остаточных напряжений анизотропии» обра­ зование очагов ГДЯ связывают с упругой энергией, накопленной кри­ сталлами бора [97-102]. При этом предполагается суммирование энергии твердых включений и энергии микровключенных газов. Именно в связи с этим обстоятельством присутствие минералов бора в породах месторождения даже в виде геохимического фона (микровключений в кристаллы) повышает выбросоопасность этих пород. Здесь следует от­ метить, что остаточные напряжения анизотропии не могут превышать самой прочности кристаллов бора. В энергетическом балансе выброса соли и газа основная роль принадлежит энергии свободного газа, содер­ жание бора ни в коей мере не влияет на этот параметр. Авторами гипоте­ зы «остаточных напряжений анизотропии» также не учитываются текто­ нические условия проявления выбросов соли и газа, которые могут ока­ заться определяющими в физико-геологическом механизме образования очагов ГДЯ.

Иные взгляды на механизм образования очагов газодинамических яв­ лений в условиях Индерского месторождения изложены в работах [103-105]. Авторы этих работ считают, что очаги газодинамических явле­ ний образовались в результате воздействия на породы высоких темпера­ тур и тектонического давления, т. е. вследствие динамотермального мета­ морфизма. Представляется, что структурно месторождение разделено на серию субпараллельных друг другу тектонических блоков северо-запад­ ного простирания. Очаги газодинамических явлений приурочены к грани­ цам тектонических блоков. Признаками границ тектонических блоков служат нефте- и битумопроявления, суфлярные газовыделения, присутст­ вие в разрезе текгонитов — глыб слоистых ангидритов или глинистых

пород, не соответствующих данному разрезу, зоны перекристаллизации каменной соли. В рамках этой гипотезы установлена явная пространствен­ ная связь между зонами развития газодинамических явлений и границами выделенных тектонических блоков. В отдельных случаях отмечается, что зоны, опасные но ГДЯ, несколько шире, чем зоны сдвигов или взбросов. Этот факт объясняется наличием «оперяющих» трещин и разрывов вблизи границ блоков. Физико-геологический механизм образования очагов ГДЯ представляется как одновременное действие высоких температур (300 °С) и направленного тектонического давления (стресса) величиной до 200 МПа. При таких термобарических условиях галит начинал деформи­ роваться скольжением и происходила дегидратация твердых фаз, что при­ водило к освобождению первичных жидких и газовых фаз, микровключенных в кристаллах. Впоследствии газовая фаза аккумулировалась на границах блоков и прилегающих к ним участках, которые в настоящее время и являются очагами газодинамических явлений.

Гипотеза образования очагов ГДЯ в результате процессов динамотермального метаморфизма имеет ряд слабых сторон. Во-первых, отсут­ ствуют экспериментальные данные, которые подтверждали бы величину давления стресса 200 МПа в условиях Индерского месторождения. Во-вторых, в рамках этой гипотезы не находится объяснений факту пре­ обладания метана (90 %) в составе свободных газов, тогда как в составе газовых смесей микровключений преобладает азот (80-90 %). В-треть­ их, отсутствует объяснение происхождения нефте- и битумопроявлений, рассоловыделений в зонах тектонических нарушений и местах газодина­ мических явлений. В целом гипотезы «остаточных напряжений анизо­ тропии» и «динамотермального метаморфизма» неудовлетворительно объясняют физико-геологический механизм образования очагов газоди­ намических явлений в условиях Индерского борно-калийного месторож­ дения, базируясь на экстраординарных условиях, плохо увязываемых с наблюдаемыми фактами.

Таким образом, анализ известных гипотез еще раз подтвердил, что выяснение механизма образования очагов газодинамических явлений в условиях калийных месторождений мира является трудной и актуаль­ ной задачей. Приходится с сожалением констатировать, что ни одна из известных гипотез не может претендовать на всеобъемлющее решение проблемы физико-геологического механизма образования очагов газо­ динамических явлений. Существующие взгляды, как правило, отражают

отдельные моменты в механизме образования очагов ГДЯ, противоречи­ вы по своей сути и не дают целостной картины. Необходимо продолжать исследования по данной проблеме с целью создания на основе механиз­ ма образования очагов ГДЯ надежных методов их прогнозирования. Со­ стояние изученности проблемы газодинамических явлений показывает, что она остается в настоящее время весьма актуальной практически для всех разрабатываемых подземным способом калийных месторождений мира. Представления о механизме образования очагов газодинамиче­ ских явлений в соляном породном массиве характеризуются в своем по­ давляющем большинстве констатацией фактов приуроченности ГДЯ к тем или иным геологическим условиям. Необходимо дальнейшее тео­ ретическое развитие механизма образования очагов газодинамических явлений в соляном породном массиве.