Газоносность по свободным газам пород сильвинитовой и сильвинито-карналлитовой зон Верхнекамского месторождения

С.С. Андрейко¹, О.В. Иванов², Т.А. Лялина¹ , Е.А. Нестеров^2
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь, Российская Федерация
² Горный Институт Уральского отделения Российской академии наук, г. Пермь, Российская Федерация
Горная Промышленность №4 / 2021 стр. 125-133

Резюме: Представлены результаты исследований в шахтных и лабораторных условиях газоносности по свободным газам соляных пород сильвинитовой и сильвинито-карналлитовой зон стратиграфического разреза Верхнекамского месторождения калийных солей. В процессе проведения экспериментальных исследований в калийных рудниках получены количественные характеристики газоносности по свободным газам промышленных сильвинитовых и карналлитовых пластов, а также вмещающих пластов каменной соли. В процессе проведения лабораторных исследований методом газовой хроматографии проб природных газов дана оценка компонентного состава свободных газов соляных пород сильвинитовой и сильвинито-карналлитовой зон соляной толщи Верхнекамского месторождения калийных солей. На основании анализа геологического строения калийных пластов и обобщения результатов исследования газоносности соляных пород дана оценка состава, масштаба, места и характера выделения природных газов в калийных рудниках. На основании обобщения результатов экспериментальных исследований газоносности соляных пород по свободным газам, а также анализа мест, масштаба и характера газовыделений в калийных рудниках при ведении горных работ установлены вероятные места скопления свободных газов в породах сильвинитовой и сильвинито-карналлитовой зон Верхнекамского месторождения калийных солей, основными из которых являются области перегиба антиклинальных складок, локальные зоны разрывов и дробления пластов, трещины разрыва пластов, зоны тектонических нарушений, зоны перехода сильвинитов в карналлитовую породу и зоны изменения состава солей.

Ключевые слова: соляная толща, сильвинитовая зона, сильвинито-карналлитовая зона, газоносность, свободные газы, компонентный состав, характер газовыделений, места скоплений, антиклинальные складки, локальные зоны, тектонические нарушения

Благодарности: Исследования проводились при поддержке гранта РФФИ № 20-45-596017.

Для цитирования: Андрейко С.С., Иванов О.В., Лялина Т.А., Нестеров Е.А. Газоносность по свободным газам пород сильвинитовой и сильвинито-карналлитовой зон Верхнекамского месторождения. Горная промышленность. 2021;(4):125–133. DOI 10.30686/1609-9192-2021-4-125-133.

Информация о статье

Поступила в редакцию: 18.06.2021

Поступила после рецензирования: 12.07.2021

Принята к публикации: 13.07.2021

Информация об авторах

Андрейко Сергей Семенович – доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой разработки месторождений полезных ископаемых, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь, Российская Федерация

Иванов Олег Васильевич – кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории геотехнологических процессов и рудничной газодинамики, Горный Институт Уральского отделения Российской академии наук, г. Пермь, Российская Федерация

Лялина Тамара Александровна – ассистент кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Нестеров Егор Анатольевич – кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории геотехнологических процессов и рудничной газодинамики, Горный Институт Уральского отделения Российской академии наук, г. Пермь, Российская Федерация

Введение

В настоящее время подземная разработка калийных пластов в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей сопровождается газовыделениями и газодинамическими явлениями. Увеличение объемов добычи калийных солей в последние десятилетия и рост числа калийных рудников, разрабатывающих Верхнекамское месторождение калийных солей, сопровождаются изменением геологических условий разработки и расширением областей распространения природных опасностей в виде суфлярных газовыделений и газодинамических явлений различного вида.

Суфлярные газовыделения и газодинамические явления существенно осложняют разработку калийных пластов и представляют серьезную угрозу жизни шахтеров. В этой связи исследования газоносности соляных пород, как одного из факторов, определяющих газовую и газодинамическую опасность, являются актуальной задачей. Количественные характеристики и закономерности распределения газоносности соляных пород по геологическому разрезу Верхнекамского месторождения калийных солей необходимы для прогнозирования зон, опасных по скоплениям горючих газов и газодинамическим явлениям, а также для разработки научно обоснованных параметров профилактического дегазационного бурения для предотвращения газодинамических явлений различного вида при ведении подготовительных и очистных горных работ в калийных рудниках.

Методология исследований

Методика шахтных экспериментальных исследований газоносности включала определение газоносности пород по свободным газам и определение компонентного состава свободных газов [1]. Методика исследований реализовывалась путем шахтных инструментальных наблюдений за газовыделениями из шпуров диаметром 42 мм, пробуренных в горных выработках с одновременным отбором проб свободного газа. Шпуры бурятся поинтервально и сразу герметизируются на расстоянии 0,5 м от забоя скважины с помощью герметизатора. Газ, выделяющийся со стенок и забоя загерметизированной части шпура поступает в газоотводящий штуцер, к которому подключается прецизионный портативный цифровой манометр DPI-740. Диапазоны измерений цифрового манометра DPI-740: атмосферного давления – от 0,75 до 1,15 бар; абсолютного давления – от 0,035 до 1,3; 2,6; 3,5 бар; точность – ±0,02% ВПИ; предельно допустимое давление – 4 бар. С помощью прибора DPI-740 определяется начальная скорость газовыделения в шпуре по давлению, создаваемому газом, проходящим через откалиброванное отверстие капилляра, а также определяется приращение давления газов в шпуре в течение 30 с после его герметизации, т.е. начальное газовое давление.

По этой величине с помощью заранее построенных графиков зависимости Х = f(Pг), где Х – газоносность пород, м³/м³; Рг – величина начального газового давления, определяются показатели газоносности. Прибором DPI-740 замеряется скорость истечения газов из шпуров, секундомером фиксируется время изменения скорости. Полученный объем выделившихся из шпура газов соотносится к объему зоны дренирования вокруг шпура.

Для определения компонентного состава свободного газа параллельно производится отбор проб для последующего хроматографического анализа. Для проведения анализа компонентного состава газов используются современные газовые хроматографы 450-GC компании «Varian, Inc». Хроматографы газовые Varian 450-GC представляют собой универсальные стационарные лабораторные приборы. Хроматограф состоит из основного блока, включающего термостат с детекторами и колонками, блок ввода проб, блок контроля газовых потоков и систему управления и обработки данных. В термостате располагаются три группы колонок, каждой из которых соответствует определенный инжектор и детектор. Температура колонок регулируется по заданной программе в режиме линейного изменения (со скоростью до 40 ^оС/мин) и изотермическом (с шагом 1 ^оС). Программное обеспечение Galaxie версия 1.8 и выше, которым комплектуется хроматограф, обеспечивает обработку данных, программирование температуры, управление давлением газа-носителя и других рабочих газов, переключение газовых кранов и управление работы внешних устройств.

Результаты исследований

Калийная залежь Верхнекамского месторождения представлена серией продуктивных пластов, разделенных пластами каменной соли (рис. 1). По составу продуктивных пластов залежь делится на сильвинитовую и сильвинито-карналлитовую зоны [2]. Сильвинитовая зона сложена чередующимися пластами красных сильвинитов (КрIII КрII и КрI), полосчатого сильвинита (А) и разделяющих их пластов каменной соли (КрIII – КрII, КрII – КрI и КрI – А).

Сильвинито-карналлитовая зона сложена чередующимися пластами калийно-магниевых солей (девять пластов, которые индексируются снизу вверх буквами от Б до К) и каменной соли (восемь пластов – от Б–В до И–К). В основании сильвинито-карналлитовой зоны, непосредственно на пласте полосчатого сильвинита А, залегает пласт Б. На рис. 1 представлена часть сильвинито-карналлитовой зоны, в пределах которой проводились исследования газоносности соляных пород по свободным газам.

Рис. 1 План и стратиграфический разрез сильвинитовой и части сильвинито-карналлитовой зон калийной залежи Верхнекамского месторождения калийных солей [2]: 1 – граница месторождения; 2 – действующие рудники; 3 – строящиеся рудники; 4 – затопленные рудники; 5 – участки, планируемые к разработке; 6 – каменная соль; 7 – карналлитовая порода; 8 – пестрый сильвинит; 9 – красный сильвинит; 10 – полосчатый сильвинит

Fig. 1 Plan and stratigraphic section of the sylvinite and part of the sylvinite-carnallite zones of the potash deposit at the Upper Kama districts [2]: 1 – the boundary of the deposit; 2 – operating mines; 3 – mines under construction; 4 – flooded mines; 5 – areas planned for development; 6 – rock salt; 7 – carnallite rock; 8 – variegated sylvinite; 9 – red sylvinite; 10 –banded sylvinite

Газопроявления различного вида и интенсивности на площади Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС) происходили при бурении геологоразведочных скважин с поверхности и на разных стадиях ведения горных работ на площадях шахтных полей всех калийных рудников, эксплуатирующих месторождение [3; 4]. Сведения о газопроявлениях и результаты экспериментальных исследований газоносности соленосной толщи непосредственно в калийных рудниках характеризуются различной детальностью исследований газоносности пород и качеством имеющегося материала. Исследования газоносности пород соляной толщи ВКМКС представляют значительный интерес с позиций выявления закономерностей распределения газов по геологическому разрезу месторождения с последующим определением состава, масштаба и характера возможных газовыделений в процессе ведения подготовительных и очистных горных работ в калийных рудниках.

В условиях Верхнекамского месторождения калийных солей исследования газоносности пород соляной толщи проводились начиная с 1930-х годов [5–7]. В настоящее время следует констатировать тот факт, что несмотря на многолетние исследования газоносности соляных пород ВКМКС большим числом ученых, до сих пор нет общепризнанной теории происхождения газовой составляющей соляной толщи. Основные гипотезы происхождения газов соляной толщи ВКМКС сводятся к следующим: «нефтяное» происхождение углеводородных газов, обусловленное восходящей миграцией из нижележащих нефтяных месторождений; биохимическое происхождение газов за счет разложения растительных и животных остатков в солеродных лагунах; радиационно-химическое превращение органического материала; химическое взаимодействие неустойчивых соединений солей аммония в процессе термодинамометаморфизма и т.д. [8–24].

Была проведена оценка закономерностей распределения газодинамических явлений при бурении геологоразведочных скважин с поверхности на Верхнекамском месторождении калийных солей [3]. Методы математической статистики и теории вероятностей детально описаны в работах как отечественных, так и зарубежных авторов [24–32].

В настоящее время большой объем шахтных экспериментальных исследований газоносности по свободным газам и компонентного состава свободных газов выполнен «ГИ УрО РАН» на южном (шахтные поля рудников БКПРУ-1, БКПРУ-2, БКПРУ-4) и центральном (шахтные поля рудников СКРУ-1, СКРУ-2, СКРУ-3) участках ВКМКС. Для данных участков ВКМКС имеется наиболее представительный фактический материал. Остальные участки ВКМКС описываются на основании детального обзора литературных источников и результатов исследования газоносности солей на стадии ведения геологоразведочных работ с поверхности.

Результаты шахтных экспериментальных исследований газоносности по свободным газам в условиях рудника БКПРУ-1 показали, что газоносность пород промышленных пластов АБ и КрII по свободным газам – газам, находящимся в открытых макропорах и трещинах, составляет соответственно 0,17 и 0,22 м³/м³, при этом максимальная газоносность пластов по условному метану составляет соответственно 1,2×10^–3 и 0,023 м³/м³. Газоносность пород пласта АБ по сероводороду составляет 1,9×10^–7 м³/м³. Компонентный состав свободных газов пласта КрII (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) – от 88,3 до 94,8%; метан (CH₄) от 4,63 до 10,51%; водород (Н₂) – от 0,007 до 0,096%; этан (С₂Н₆) – от 0,30 до 0,44%; пропан (С₃Н₈) – от 0,11 до 0,29%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,026 до 0,069%.

Рис. 2 Распределение газоносности по свободным газам в породах сильвинитовой и сильвинито- карналлитовой зон на шахтном поле рудника БКПРУ-2

Fig. 2 Distribution of gas content by free gases in the rocks of the sylvinite and sylvinitecarnallite zones in the mine field of the BKPRU-2 mine

На шахтном поле рудника БКПРУ-2 газоносность пород сильвинито-карналлитовой зоны – пласта В и пласта каменной соли Б–В составляет соответственно 1,03 и 0,72 м³/м³ (рис. 2). Газоносность пород сильвинитовой зоны по свободным газам следующая. Газоносность промышленного пласта АБ по свободным газам составляет 0,51 м³/м³, при этом газоносность пласта АБ по условному метану может достигать величины 0,41 м³/м³. Газоносность пород пласта АБ по сероводороду изменяется от 1,23×10^-7 до 3,70×10^-5 м³/м³ при среднем значении 3,58×10_–6 м³/м³. Газоносность пород пласта каменной соли А–КрI, сильвинитового пласта КрI и пласта каменной соли КрI–КрII составляет соответственно 0,20, 0,16 и 0,63 м³/м³. Газоносность пород промышленного пласта КрII по свободным газам составляет 0,34 м³/м³, при этом газоносность пласта КрII по условному метану может достигать величины 0,14 м³/м³. Газоносность пород пласта КрIII по свободным газам составляет 0,15 м³/м³, при этом газоносность пласта КрIII по условному метану составляет 0,05 м³/м³. Компонентный состав свободных газов пласта АБ (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) - от 40,62 до 85,64%; метан (CH₄) от 8,84 до 49,17%; водород (Н₂) - от 0,09 до 5,07%; этан (С₂Н₆) – от 0,04 до 7,53%; пропан (С₃Н₈) – от 0,06 до 1,12%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,01 до 0,19%; пентан (С₅Н₁₂) – от 0,001 до 0,014%. Компонентный состав свободных газов пласта КрII (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) – 54,18 до 63,52%; метан (CH₄) от 12,38 до 28,22%; водород (Н₂) – от 0,06 до 0,79%; этан (С₂Н₆) – от 0,08 до 4,89%; пропан (С₃Н₈) – от 0,02 до 0,70%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,001 до 0,008%. Компонентный состав свободных газов пласта КрIII (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) – 58,24 до 73,35%; метан (CH₄) от 18,23 до 29,42%; водород (Н₂) – от 0,03 до 0,64%; этан (С₂Н₆) – от 0,04 до 2,56%; пропан (С₃Н₈) – от 0,06 до 2,74%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,04 до 0,57%.

Рис. 3 Распределение газоносности по свободным газам в породах сильвинитовой и сильвинито- карналлитовой зон на шахтном поле рудника БКПРУ-4

Fig. 3 Distribution of gas content by free gases in the rocks of the sylvinite and sylvinitecarnallite zones in the mine field of the BKPRU-4 mine

Распределение газоносности по свободным газам в породах сильвинито-карналлитовой и сильвинитовой зон на шахтном поле рудника БКПРУ-4 представлено на рис. 3. Как видно из рис. 3, газоносность пород сильвинито–карналлитовой зоны – пласта каменной соли В–Г, пласта В и пласта каменной соли Б–В составляет соответственно 0,91, 0,73 и 0,64 м³/м³. Газоносность промышленного пласта АБ по свободным газам составляет 0,62 м³/м³, при этом газоносность пласта АБ по условному метану может достигать величины 0,54 м³/м³. Газоносность по свободным газам пород пласта каменной соли А–КрI, сильвинитового пласта КрI и пласта каменной соли КрI–КрII составляет соответственно 0,39, 0,20 и 0,51 м³/м³. Газоносность пород промышленного пласта КрII по свободным газам составляет 0,33 м³/м³, при этом газоносность пласта КрII по условному метану может достигать 0,24 м³/м³. Газоносность пласта каменной соли КрII– КрIII составляет 0,10 м³/м³. Газоносность пород пласта КрIII по свободным газам составляет 0,15 м³/м³, при этом газоносность пласта КрIII по условному метану может достигать 0,06 м³/м³ Компонентный состав свободных газов пласта АБ (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) – от 34,70 до 69,90%; метан (CH₄) от 7,24 до 49,56%; водород (Н₂) – от 0,08 до 8,96%; этан (С₂Н₆) – от 0,096 до 4,72%; пропан (С₃Н₈) – от 0,11 до 2,31%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,08 до 0,92%; пентан (С₃Н₈) – от 0,004 до 0,037%. Компонентный состав свободных газов пласта КрII (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) – от 12,67 до 76,42%; метан (CH₄) от 15,70 до 48,39%; водород (Н₂) – от 0,42 до 1,56%; этан (С₂Н₆) - от 1,41 до 3,70%; пропан (С₃Н₈) – от 1,55 до 2,31%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,30 до 1,35%; пентан (С₃Н₈) – от 0,001 до 1,16%. Компонентный состав свободных газов пласта КрIII (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) – от 48,43 до 61,62%; метан (CH₄) – от 12,35 до 28,60%; водород (Н₂) – от 0,12 до 0,86%; этан (С₂Н₆) – от 0,11 до 2,69%; пропан (С₃Н₈) – от 0,09 до 1,28%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,02 до 0,64%.

В условиях шахтного поля рудника СКРУ-1 в сильвинитокарналлитовой зоне средняя газоносность пород пласта В по свободным газам составляет 1,05 м³/м³, при этом газоносность пласта Вк карналлитового состава по условному метану может достигать 1,54 м³/м³ (рис. 4).

Рис. 4 Распределение газоносности по свободным газам в породах сильвинитовой и сильвинито- карналлитовой зон на шахтном поле рудника СКРУ-1

Fig. 4 Distribution of gas content by free gases in the rocks of the sylvinite and sylvinitecarnallite zones in the mine field of the SKRU-1 mine

Газоносность пород сильвинитового пласта Вс по свободным газам составляет 0,82 м³/м³, при этом газоносность пласта Вс по условному метану может достигать 0,53 м³/м³. Газоносность пород пласта каменной соли Б–В составляет 0,91 м³/м³. В сильвинитовой зоне газоносность пород пласта АБ составляет 0,62 м³/м³, при этом газоносность пласта АБ по условному метану может достигать 0,54 м³/м³. Газоносность пласта каменной соли КрI–КрII может достигать 0,24 м³/м³. Газоносность пород пласта КрIII по свободным газам составляет 0,15 м³/м³, при этом газоносность пласта КрIII по условному метану может достигать 0,06 м³/м³.

Компонентный состав свободных газов карналлитового пласта Вк (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) – от 14,29 до 85,13%; метан (CH₄) – от 11,21 до 45,56%; водород (Н₂) – от 3,31 до 35,16%; этан (С₂Н₆) – от 0,19 до 1,20%; пропан (С₃Н₈) – от 0,05 до 0,34%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,004 до 0,02%; СО2 и другие газы – от 0,10 до 3,43%. Компонентный состав свободных газов сильвинитового пласта Вс (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) – от 50,55 до 55,51%; метан (CH₄) – от 37,19 до 38,73%; водород (Н₂) – от 3,27 до 9,95%; этан (С₂Н₆) – от 1,15 до 2,11%; пропан (С₃Н₈) – от 0,007 до 0,23%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,002 до 0,021%. Компонентный состав свободных газов пласта АБ (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) – от 34,70 до 69,90%; метан (CH₄) – от 7,24 до 49,56%; водород (Н₂) – от 0,08 до 8,96%; этан (С₂Н₆) – от 0,096 до 4,72%; пропан (С₃Н₈) – от 0,11 до 2,31%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,08 до 0,92%; пентан (С₃Н₈) – от 0,004 до 0,037%. Компонентный состав свободных газов пласта КрII (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) – от 12,67 до 76,42%; метан (CH₄) – от 15,70 до 48,39%; водород (Н₂) – от 0,42 до 1,56%; этан (С₂Н₆) – от 1,41 до 3,70%; пропан (С₃Н₈) – от 1,55 до 2,31%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,30 до 1,35%; пентан (С₃Н₈) – до 1,16%. Компонентный состав свободных газов пласта КрIII (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) – от 48,43 до 61,62%; метан (CH₄) – от 12,35 до 28,60%; водород (Н₂) – от 0,12 до 0,86%; этан (С₂Н₆) – от 0,11 до 2,69%; пропан (С₃Н₈) – от 0,09 до 1,28%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,02 до 0,64%.

На шахтном поле рудника СКРУ-2 газоносность пород сильвинито–карналлитовой зоны – промышленного пласта Вс сильвинитового состава и пласта каменой соли Б–В по свободным газам составляет соответственно 0,51 и о,37 м³/м³, при этом газоносность пласта Вс по условному метану может достигать 0,40 м³/м³ (рис. 5). Газоносность пород промышленного пласта АБ по свободным газам составляет 0,34 м³/м³, при этом газоносность пласта АБ по условному метану может достигать 0,21 м³/м³. Газоносность пластов Вс и АБ по сероводороду составляет соответственно 76×10-6 и 41×10-6 м³/м³. Газоносность пород пласта каменной соли КрI–КрII и промышленного пласта КрII по свободным газам составляет соответственно 0,33 и 0,24 м³/м³, при этом газоносность пласта КрII по условному метану может достигать 0,13 мм³/м³. Газоносность пород пласта КрIII по свободным газам составляет 0,14 м³/м³, при этом газоносность пласта КрIII по условному метану может достигать 0,08 м³/м³. Компонентный состав свободных газов сильвинитового пласта Вс (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) – от 45,12 до 48,25%; метан (CH₄) – от 38,94 до 46,67%; водород (Н₂) – от 0,62 до 3,67%; этан (С₂Н₆) – от 4,87 до 5,21%; пропан (С₃Н₈) – от 1,18 до 2,262%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,19 до 2,37%. Компонентный состав свободных газов пласта АБ (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) – от 51,01 до 57,85%; метан (CH₄) – от 34,70 до 41,54%; водород (Н₂) – от 0,51 до 0,62%; этан (С₂Н₆) – от 0,08 до 4,62%; пропан (С₃Н₈) – от 1,19 до 1,29%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,31 до 1,19%. Компонентный состав свободных газов пласта КрII (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) – от 32,45 до 60,30%; метан (CH₄) – от 12,34 до 23,80%; водород (Н₂) – от 0,22 до 3,67%; этан (С₂Н₆) – от 0,46 до 0,61%; пропан (С₃Н₈) – от 0,75 до 3,93%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,06 до 3,85%. Компонентный состав свободных газов пласта КрIII (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) – от 34,42 до78,65%; метан (CH₄) – от 20,34 до 36,32%; водород (Н₂) – от 0,02 до 0,48%; этан (С₂Н₆) – от 0,18 до 3,69%; пропан (С₃Н₈) – от 0,19 до 3,12%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,06 до 1,46%.

Рис. 5 Распределение газоносности по свободным газам в породах сильвинитовой и сильвинито- карналлитовой зон на шахтном поле рудника СКРУ-2

Fig. 5 Distribution of gas content by free gases in the rocks of the sylvinite and sylvinitecarnallite zones in the mine field of the SKRU-2 mine

В условиях шахтного поля рудника СКРУ-3 газоносность пород сильвинито-карналлитовой зоны – пласта каменной соли В–Г, промышленного сильвинитового пласта Вс и пласта каменной соли Б–В по свободным газам составляет соответственно 0,72, 0,60 и 0,61 м³/м³ (рис. 6). При этом газоносность пласта Вс по условному метану может достигать 0,53 м³/м³. Газоносность пород сильвинитовой зоны – промышленного пласта АБ, пласта каменной соли КрI–КрII, промышленного пласта КрII и сильвинитового пласта КрIII по свободным газам составляет соответственно 0,47, 0,40, 0,32 и 0,12 м³/м³. При этом газоносность пласта АБ по условному метану может достигать 0,40 м³/м³, пласта КрII - 0,26 м³/м³, пласта КрIII – 0,07 м³/м³. Компонентный состав свободных газов сильвинитового пласта Вс (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) – от 35,78 до 55,88%; метан (CH₄) – от 28,62 до 51,70%; водород (Н₂) – от 1,96 до 5,24%; этан (С₂Н₆) – от 4,31 до 4,51%; пропан (С₃Н₈) – от 0,73 до 2,45%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,13 до 0,68%. Компонентный состав свободных газов пласта АБ (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) – от 35,78 до 77,69%; метан (CH₄) – от 17,44 до 55,72%; водород (Н₂) – от 0,58 до 3,28%; этан (С₂Н₆) – от 0,04 до 6,65%; пропан (С₃Н₈) – от 0,12 до 1,64%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,03 до 0,72%. Компонентный состав свободных газов пласта КрII (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) – 52,53 до 82,13%; метан (CH₄) – от 17,29 до 20,91%; водород (Н₂) – от 0,08 до 5,44%; этан (С₂Н₆) – от 0,35 до 14,84%; пропан (С₃Н₈) – от 0,02 до 4,20%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,04 до 0,79%. Компонентный состав свободных газов пласта КрIII (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) – 44,28 до 76,32%; метан (CH₄) – от 18,38 до 46,67%; водород (Н₂) – от 0,02 до 0,06%; этан (С₂Н₆) - от 0,48 до 2,93%; пропан (С₃Н₈) – от 0,26 до 2,25%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,06 до 0,49%.

Рис. 6 Распределение газоносности по свободным газам в породах сильвинитовой и сильвинито- карналлитовой зон на шахтном поле рудника СКРУ-3

Fig. 6 Distribution of gas content by free gases in the rocks of the sylvinite and sylvinitecarnallite zones in the mine field of the SKRU-3 mine

На шахтном поле строящегося Усть-Яйвинского рудника промышленные пласты АБ и КрII характеризуются газоносностью по свободным газам от 0,07 до 0,25 м³/м³, при этом газоносность пластов АБ и КрII по условному метану может достигать соответственно 0,11 и 0,018 м³/м³.

Скопления свободных газов наблюдаются в двух формах: приконтактные (прикоржевые) и гнездовые (очаговые). В составе свободных газов по данным геологоразведочных работ установлено следующее содержание горючих газов: карналлитовая порода (пласты Вк и Бк) – метан (CH₄) – до 2,26%; тяжелые углеводороды (этан С₂Н₆ + пропан С₃Н₈ + бутан С₃Н₈ + пентан С₃Н₈ + гексан С₃Н₈) – до 0,32%; водород (Н₂) – до 7,34%; сильвинит пестрый (пласт Вс и Бс) - метан (CH₄) – до 1,05%; тяжелые углеводороды (этан С₂Н₆ + пропан С₃Н₈ + бутан С₃Н₈ + пентан С₃Н₈ + гексан С₃Н₈) – до 0,01%; водород (Н₂) – до 4,17%; сильвинит пестрый и полосчатый (пласт АБ) – метан (CH₄) – до 3,82%; тяжелые углеводороды (этан С₂Н₆ + пропан С₃Н₈ + бутан С₃Н₈ + пентан С₃Н₈ + гексан С₃Н₈) – до 0,42%; водород (Н₂) – до 16,21%; сильвинит красный (пласты КрI, КрII и КрIII) – метан (CH₄) – до 3,46%; тяжелые углеводороды (этан С₂Н₆ + пропан С₃Н₈ + бутан С₃Н₈ + пентан С₃Н₈ + гексан С₃Н₈) – до 0,68%; водород (Н₂) – до 6,63%; межпластовая каменная соль – метан (CH₄) – до 4,74%; тяжелые углеводороды (этан С₂Н₆ + пропан С₃Н₈ + бутан С₃Н₈ + пентан С₃Н₈ + гексан С₃Н₈) – до 0,34%; водород (Н₂) – до 10,63%; подстилающая каменная соль - метан (CH₄) – до 4,68%; тяжелые углеводороды (этан С₂Н₆ + пропан С₃Н₈ + бутан С₃Н₈ + пентан С₃Н₈ + гексан С₃Н₈) – до 0,11%; водород (Н₂) – до 10,00%.

Анализ геологических условий

Анализ геологических условий разработки промышленных карналлитовых и сильвинитовых пластов В, АБ и КрII на шахтных полях калийных рудников в условиях ВКМКС позволил выявить наличие антиклинальных складок промышленных пластов третьего порядка, зон распространения смешанных солей в пластах АБ и В, а также наличие надвигов (зоны разрывных и флексурно-складчатых деформаций), локальных зон сильвинитизации карналлитовых пород и галитизации сильвинитов, зон локальных сдвигов и надвигов, зон открытых трещин растяжения, участков флексурообразных складок, локальных замещений пласта АБ глинистым материалом, зон разрывов и дробления пластов. На основании анализа геологического строения шахтных полей калийных рудников и практического опыта отработки карналлитовых и сильвинитовых пластов В, АБ и КрII на шахтных полях рудников в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей, а также мирового опыта разработки других месторождений калийных солей подземным способом можно считать наиболее вероятными местами скоплений свободных газов в промышленных пластах и вмещающих породах следующие геологические структуры и зоны: локальные зоны замещения сильвинитовых слоев линзами неправильной формы, выполненными каменной солью и глиной, с линейными размерами от первых метров до 10–12 м; локальные зоны интенсивного смятия сильвинитовых пластов в осевых частях крупных складок или флексурообразных перегибов; зоны развития антиклинальных складок высотой от первых метров до 10–12 м, шириной от 5–20 до 100 м, длиной – до 300 м, в пределах которых породы перемяты, характеризуются повышенной пористостью в результате развития межзерновой трещиноватости и высокой газонасыщенностью; зоны развития эпигенетических изменений в межпластовой каменной соли КрI – А, разделяющей пласты КрI и АБ, представленных прослоями и отдельными блоками шпатовой каменной соли; трещины разрыва (залеченные и открытые); зоны тектонических нарушений (сдвигов, надвигов, сбросов) и области их динамического влияния, представленные «оперяющими» трещинами, сколами и разрывами вблизи зоны сдвига или взброса; зоны разрывов и дробления пласта АБ и пласта каменной соли Б-В; зоны перехода сильвинитов в карналлитовую породу по пластам Б и В; участки калийных пластов с весьма изменчивым распределением карналлитовой породы и сильвинитов, когда одни и те же слои пород представлены смешанными солями (карналлит + сильвинит).

На основе анализа геологических условий разработки калийных пластов В, АБ и КрII на шахтных полях калийных рудников наблюдается крайне неравномерное – «пятнистое» распределение газоносности соляных пород по площади, когда преобладающие по площади шахтного поля участки с фоновой газоносностью по свободным (не более 0,2 м³/м³) будут чередоваться с локальными газонасыщенными зонами, приуроченными к вышеуказанным геологическим структурам и зонам. В связи с этим характер выделения природных свободных газов в калийных рудниках в зависимости от газоносности может быть следующим: обычное газовыделение; суфлярное газовыделение; внезапное газовыделение в виде газодинамического явления.

При ведении горных работ по породам с обычной (фоновой) газоносностью вне вышеуказанных геологических структур в атмосферу горных выработок будут происходить обычные газовыделения, которые связаны с выделением содержащихся в разрабатываемом пласте свободных газов, при этом связанные (микровключенные) газы практически не выделяются в атмосферу горных выработок. Обычные газовыделения происходят при проходке подготовительных выработок и ведении очистных работ с обнаженных поверхностей массива (забоя, стенок, почвы и кровли), из шпуров и скважин, в момент взрывания из разрушенной массы породы и из отбитой породы, находящейся в забое выработки какое-либо время до ее погрузки.

Количество выделяющегося при этом свободного газа будет невелико и в предельном случае не превысит газоносности пород по свободным газам. Обычные газовыделения являются небольшими по объему и при надлежащем проветривании горной выработки не создают заметных концентраций газа и не приводят к загазовыванию выработок, т.е. концентрация газов не превышает предельно допустимого значения, указанного в правилах безопасности – 0,5% (10% от нижней концентрации предела взрываемости).

При ведении горных работ в зонах, опасных по скоплениям свободных газов, возможны суфлярные газовыделения и газодинамические явления в виде: внезапных выбросов соли и газа; обрушений пород кровли и разрушений пород почвы, сопровождающихся газовыделениями; явлений комбинированного типа (рис. 7).

Рис. 7 Распределение газоносности по свободным газам в породах сильвинитовой и сильвинито- карналлитовой зон на шахтном поле рудника СКРУ-3

Fig. 7 Distribution of gas content by free gases in the rocks of the sylvinite and sylvinite-carnallite zones in the mine field of the SKRU-3 mine

Газодинамические явления представляют собой внезапные по месту и времени быстропротекающие (от единиц до нескольких десятков секунд) разрушения части приконтурного массива с выносом разрушенной породы в выработку, сопровождающиеся газовыделением и образованием в массиве полостей. При этом количество газа, которое выделяется при газодинамических явлениях в атмосферу горных выработок, может быть различным и изменяется от нескольких кубометров до тысяч кубометров.

Суфлярные газовыделения – выделения газа из трещин, шпуров или скважин, вскрывающих газопроводящие трещины и скопления свободных газов в пласте или вмещающих породах, с дебитом газа 1 м3/мин и более на участках выработок менее 20 м. Суфлярные газовыделения могут проявляться бурно, но кратковременно. В случае связи суфлярных газовыделений с крупными коллекторами газа они могут быть весьма длительными (несколько лет) и значительными по дебиту газа (тысячи и десятки тысяч кубометров газ).

Заключение

Результаты обобщения и анализа данных о газоносности по свободным газам соляных пород сильвинитовой и сильвинито-карналлитовой зон соляной толщи Верхнекамского месторождения калийных солей позволяют сделать следующие выводы:

1. Газоносность пород по свободным газам сильвинитовой зоны – сильвинитовых пластов КрIII, КрII, КрI и АБ, а также пластов каменной соли КрIII–КрII, КрII–КрI, КрI–А изменяется от 0,10 м³/м³ до 0,62 м³/м³. Средние значения газоносности пород сильвинитовой зоны по свободным газам следующие: сильвинитовый пласт КрIII – 0,14 м³/м³, пласт каменной соли КрIII–КрII – 0,10 м³/м³, сильвинитовый пласт КрII – 0,31 м³/м³, пласт каменной соли КрII–КрI – 0,49 м³/м³, сильвинитовый пласт КрI – 0,18 м³/м³, пласт каменной соли КрI–А – 0,29 м³/м³, сильвинитовый пласт АБ - 0,51 м³/м³.

2. Компонентный состав свободных газов сильвинитовой зоны (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) – от 12,67 до 94,80%; метан (CH₄) – от 4,63 до 55,72%; водород (Н₂) – от 0,02 до 8,96%; этан (С₂Н₆) – от 0,04 до 14,84%; пропан (С₃Н₈) – от 0,02 до 4,20%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,001 до 3,85%; пентан (С₃Н₈) – от 0,001 до 1,16%.

3. Газоносность пород по свободным газам исследованной части пластов сильвинито-карналлитовой зоны – пласта каменной соли Б–В, пласта В сильвинитового (Вс) и карналлитового состава (Вк), а также пласта каменной соли В–Г изменяется от 0,37 до 1,05 м³/м³. Средние значения газоносности пород исследованных пластов сильвинито-карналлитовой зоны по свободным газам следующие: пласт каменной соли Б–В – 0,78 м³/м³, пласт В – 0,73м³/м³, пласт каменной соли В–Г – 0,81 м³/м³.

4. Компонентный состав свободных газов исследованной части пластов сильвинито-карналлитовой зоны (в объемных процентах) следующий: азот (N₂) – от 34,70 до 96,10%; метан (CH₄) – от 0,59 до 48,80%; водород (Н₂) – от 0,002 до 1,17%; этан (С₂Н₆) – от 0,04 до 9,72%; пропан (С₃Н₈) – от 0,01 до 4,66%; бутан (С₄Н₁₀) – от 0,15 до 0,46%; пентан (С₃Н₈) – от 0,09 до 0,17%.

5. Наиболее вероятными местами скоплений свободных газов в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей являются следующие геологические зоны и структуры: локальные зоны замещения сильвинитовых слоев линзами неправильной формы, выполненными каменной солью и глиной, с линейными размерами от первых метров до 10–12 м; локальные зоны интенсивного смятия сильвинитовых пластов в осевых частях крупных складок или флексурообразных перегибов; зоны развития антиклинальных складок высотой от первых метров до 10–12 м, шириной от 5–20 до 100 м, длиной – до 300 м; зоны развития эпигенетических изменений в межпластовой каменной соли КрI – А, разделяющей пласты КрI и АБ, представленные прослоями и отдельными блоками шпатовой каменной соли; трещины разрыва (залеченные и открытые); зоны тектонических нарушений (сдвигов, надвигов, сбросов) и области их динамического влияния; зоны разрывов и дробления пласта АБ и пласта каменной соли Б-В; зоны перехода сильвинитов в карналлитовую породу по пластам Б и В; участки калийных пластов с весьма изменчивым распределением карналлитовой породы и сильвинитов, когда одни и те же слои пород представлены смешанными солями (карналлит + сильвинит).

Список литературы

1. Земсков А.Н., Кондрашов П.И., Травникова Л.Г. Природные газы калийных месторождений и меры борьбы с ними. Пермь: Типография купца Тарасова; 2008. 414 с.

2. Кудряшов А.И. Верхнекамское месторождение солей. Пермь: ГИ УрО РАН; 2013. 429 с.

3. Андрейко С.С., Лялина Т.А. Результаты оценки закономерностей распределения газодинамических явлений при бурении геологоразведочных скважин с поверхности на Верхнекамском месторождении калийных солей. Вестник ПНИПУ. Геология, нефтегазовое и горное дело. 2011;(1):105–120.

4. Андрейко С.С., Калугин П.А., Щерба В.Я. Газодинамические явления в калийных рудниках: генезис, прогноз и управление. Минск: Вышэйшая школа; 2000. 335 с.

5. Иванов А.А., Рейнеке В.И. О газах Верхнекамского соляного района. В: Голубятникова В.Д., Рейнеке В.И. (ред.) Природные газы СССР. М.: Гелиогазразведка; 1935. С. 72–76.

6. Морачевский Ю.В., Черепенников А.А., Самарцева А.Г. Газоносность толщи калийных солей Верхнекамского месторождения. Калий. 1937;(7):12–21.

7. Морачевский Ю.В., Черепенников А.А., Самарцева А.Г. Газоносность соляной толщи Верхнекамских отложений. Труды ВИГ. 1939;(17):32–33.

8. Несмелова З.Н. О газах в калийных солях Березниковского рудника. Труды ВНИИГ. 1959;(35):206–213.

9. Пермяков Р.С., Проскуряков Н.М. Внезапные выбросы соли и газа. Л.: Недра; 1972. 180 с.

10. Фивег М.П. О работах ВИГ по изучению газов карналлитовых пород Соликамского рудника. В: Раевский В. И. (ред.) Геология месторождений калийных солей и их разведка. Л.; 1973.

11. Несмелова З.Н., Травникова Л.Г. Радиогенные газы древних соляных отложений. Геохимия. 1973;(5):716–722.

12. Медведев И.И., Полянина Г.Д. Газовыделения в калийных рудниках. М.: Недра; 1974. 207 с.

13. Аполлонов В.Н. Аммоний в сильвине Верхнекамского месторождения. Доклады АН СССР. 1976;231(3):709–710.

14. Чудинов Н.К. Методы количественной оценки пиковых и фоновых процессов эволюции в практике и решение проблемы генезиса природных газов и нефти. Проблемы соленакопления. 1977;2:292–301.

15. Воронов Н.А., Махмудов А.Х., Несмелова З.Н. и др. Природные газы осадочной толщи. Л.: Недра; 1976. 344 с.

16. Несмелова З.Н. Газы древних соляных отложений. В: Алексеев Ф.А. (ред.) Метан. М.: Недра; 1978. С. 218–222.

17. Несмелова З.Н. и др. Геолого-геохимические факторы формирования компонентного и изотопного состава газа. Л.: ВНИГРИ; 1978. 191 с.

18. Проскуряков Н.М. Внезапные выбросы породы и газа в калийных рудниках. М.: Недра; 1980. 264 с.

19. Андрейко С.С., Галкин В.И., Шаманский Г.П. Некоторые особенности распределения углеводородных газов по разрезу Верхнекамского месторождения калийных солей. В: Красноштейн А. Е. (ред.) Разработка соляных месторождений. Пермь: Перм. политехн. ин-т; 1980. С. 82–87.

20. Галкин В.И. Некоторые особенности распределения и формирования газов Верхнекамского месторождения калийных солей. В: Жарков М.А., Яншин А.Л. (ред.) Нефтегазоносность регионов древнего соленакопления. Новосибирск: Наука; 1982. С. 172–174.

21. Аполлонов В.Н. Происхождение азота в месторождениях калийных солей. В: Жарков М.А., Яншин А.Л. (ред.) Нефтегазоносность регионов древнего соленакопления. Новосибирск: Наука; 1982. С. 153–157.

22. Несмелова З.Н., Гемп С.Д. Вероятная модель формирования газовой составляющей соляных пород калийных местогрождений. В: Жарков М.А., Яншин А.Л. (ред.) Нефтегазоносность регионов древнего соленакопления. Новосибирск: Наука; 1982. С. 162–172.

23. Травникова Л.Г., Прасолов Э.М. Химический состав газов соленосных отложений. Геохимия. 1985;(12):1766–1778.

24. Гемп С.Д. Анализ существующих материалов и представлений о прохождении газового состава (свободного и микровключенного) в соляных породах ВКМКМС. В: Джиноридзе Н.М. (ред.) Петротектонические основы безопасной эксплуатации Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей. СПб.; Соликамск: Соликамская типография; 2000. С. 321–329. Режим доступа: https://www.geokniga.org/bookfiles/geokniga-petrotektonicheskie-osnovy-bezopasnoy-ekspluatacii-verhnekamskogo-mestorozhde.pdf

25. Roberts N.M., Tikoff B., Davis J.R. Stetson-Lee T. The utility of statistical analysis in structural geology. Journal of Structural Geology. 2019;125:64–73. https://doi.org/10.1016/j.jsg.2018.05.030

26. Tekin S., Altun E., Çan T. A new statistical model for extreme rainfall: POT-KumGP. Earth Science Informatics. 2021;14(6):765–775. https://doi.org/10.1007/s12145-021-00581-x

27. Robert C.P. Essentials of probability theory for statisticians. Chance. 2020;33(3):61. https://doi.org/10.1080/09332480.2020.1820255

28. Rocchi P., Burgin M. An essay on the prerequisites for the probability theory. Advances in Pure Mathematics. 2020;10(12):685–698. https://doi.org/10.4236/apm.2020.1012042

29. Закревский К.Е., Попов В.Л. История развития трехмерного геологического моделирования как метода изучения залежей нефти и газа. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2021;332(5):89–100. https://doi.org/10.18799/24131830/2021/5/3188

30. Саакян М.И., Закревский К.Е., Газизов Р.К., Лепилин А.Е., Рыжиков Е.А. К вопросу о перспективах создания корпоративного программного обеспечения геологического моделирования. Нефтяное хозяйство. 2019;(11):50–54. https://doi.org/10.24887/0028-2448-2019-11-50-54

31. Тараскин Е.Н., Гутман И.С., Руднев С.А., Захарян А.З., Урсегов С.О. Новый адаптивный подход к геолого-гидродинамическому моделированию длительно разрабатываемых месторождений и залежей. Нефтяное хозяйство. 2017;(12):78–83. https://doi.org/10.24887/0028-2448-2017-6-78-83

32. Зундэ Д.А., Горланов А.А., Шаламов И.П., Давлетшин А.И., Белянский В.Ю., Лознюк О.А., Закревский К.Е., Абрашов В.Н. Итерационный подход при геологическом и гидродинамическом моделировании. Нефтяное хозяйство. 2019;(5):58–61. https://doi.org/10.24887/0028-2448-2019-5-58-61