Во многих случаях при исследовании газоносности углей с момента проведения доразведки проходит 30 и 25 лет, накапливается значительное количество фактического материала, полученного в результате опробования горных выработок, появляются новые нормативные документы, уточняются требования к изучению газоносности и проведению мероприятий по дегазации выработок при отработке пластов, а также накоплен опыт по использованию газа метана из разрабатываемых угольных месторождений. К настоящему времени геологической службой ПО «Укруглегеология» совместно с ИГТМ (г. Днепропетровск) разработана и внедрена в практику методика построения карт локальных структур угольных пластов и структурных карт газосодержащих слоев (песчаников) для выявления локальных положительных структур, являющихся ловушками свободного метана [3].
В последнее время практически все угледобывающие страны мира проявляют большой интерес к газу метану на угольных месторождениях. Причинами такого интереса является следующее. Во-первых, шахтный метан - очень опасное явление, который значительно ухудшает условия труда на шахтах. Его выделение в горные выработки требует использования больших энергозатрат и сложных систем вентиляции. Во-вторых, метан, который выделяется при ведении горных работ и дегазации, является ценным углеводородным сырьем - альтернативным видом топлива. Необходимо внедрить его утилизацию и коммерческое использование, которое значительно улучшит экономическую эффективность работы угольной отрасли. В-третьих, метан, который при ведении горных работ выбрасывается в атмосферу, является очень опасным в экологическом отношении газом. Таким образом, существует общая необходимость добычи и утилизации метана угольных месторождений, которая позволит решить сразу несколько важных проблем: создание безопасных условий выполнения горных работ, снижения затрат, на добычу угля, использования метана, как альтернативного вида топлива, а также улучшения экологической ситуации. Такие проблемы особенно актуальными являются на Украине, где уголь является основным энергоносителем, который обеспечивает энергетическую безопасность государства на долгую перспективу.
Все эти факторы послужили причиной необходимости проведения более глубокого и детального анализа газоносности угольных пластов и газонасыщенности углевмещающих пород на поле шахты «Белореченская» с целью выявления скоплений свободного метана, а также уточнения площадного распределения газа метана в угольных пластах, состоящих на балансе шахты и учета его запасов. Наличие значительного количества фактического материала, а также необходимость оперативного управления пространственными данными, определяющими газоносность угольных пластов и газосодержащих слоев обусловили необходимость использования программы ArcView.
Целью работы является изучение закономерностей распределения газоносности пласта l6 с использованием ГИС технологий.
Создание базы данных в программе ArcView по пласту угля l6 на шахтном поле «Белореченская»;
Исследование пространственного распределения газоносности по угольному пласту l6 и песчаников;
Оперативное пополнение данных в процессе ведения горных работ с целью достоверного выявления локальных структур и точности построения аппроксимированной поверхности, а также пересчета и построения карт газоносности и уточнение запасов метана в пределах изучаемого участка;
Использование программы ArcView для оперативного пересчета запасов метана на шахте;
Уточнение закономерностей распределения газоносности в пределах шахтного поля «Белореченская».
Объект исследования - угольный пласт, а также породы почвы и кровли пласта l6 шахты «Белореченская» Луганского геолого-промышленного района.
Предмет исследования - газоносность угольного пласта l6, а также пород почвы и кровли шахты «Белореченская» Луганского геолого-промышленного района.
Обобщение результатов по материалам газового опробования, полученных при геологоразведочных работах на поле шахты «Белореченская»;
Обработка информации с применением программы ArcView.
Научная новизна полученных результатов. Впервые на шахте «Белореченская» по пласту l6 уточнены закономерности распределения газоносности с применением ГИС технологий.
Практическая ценность работы состоит в разработке нового подхода при выявлении закономерностей и зависимостей изменения метаноносности угольных пластов, а также достоверного подсчета газа с применением ГИС технологий. Будет использовано в работах ПО «Укруглегеология» при составлении отчетов по анализу газоносности угольных пластов и газонасыщенности угленосной толщи шахтных полей для выявления скоплений свободного метана и определения наиболее оптимального местонахождения дегазационных скважин с поверхности.
Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались на всеукраинской научной конференции «Геология ХХІ века. Международный год планеты Земля» в Днепропетровском национальном университете им. О. Гончара.
Публикация. По материалам магистерской работы была опубликована 1 статья.
Исследования газоносности в угольных толщах принадлежат работы С.Ю. Приходченко, А.В. Анциферову, М.Г. Тиркелю, В.А. Привалову, М.В. Жикаляку, К.І. Багринцевой, Г.В. Бодни, А.М. Брижаневым и другим геологам.
Исходя из ранее проведенных работ, касающихся закономерностей распределения газа в угольных пластах, кровли и почвы, можно сделать вывод о том, что вопрос о локальных закономерностях изменения газоносности угольных пластов на площади района, влияние на метаноносность угольных пластов литологического состава вмещающих пород и их обводнения, роль многоамплитудних разрывов в формировании газоносности угля и пород, не достаточно изучен.
На основании анализа литературных данных можно сделать следующие выводы: важнейшими характеристиками пород как коллекторов природных газов являются пористость и проницаемость, что присуще песчаникам. По отметкам песчаников можно отстроить локальные структуры и аппроксимированные поверхности, которые дают возможность получить аналитическое описание поверхности [6,7].
На поле шахты «Белореченская» Луганского геолого-промышленного района были проведены исследования газоносности. На данной шахте разрабатывается два угольных пласта - m61 и l6. Углевмещающая толща поля шахты «Белореченская» газонасыщена. Это обусловлено рядом факторов: высокой угленасыщенностью толщи (в свите С26 коэффициент угленосности 2,4%), наличием достаточно мощных горизонтов песчаников с высокими фильтрационно-емкостными свойствами, образованием ловушек свободного газа структурного и структурно-тектонического типов, наличие в верхней части разреза «покрышки» из слабопроницаемых меловых пород. Основными коллекторами природных газов в угленосной толще шахты «Белореченская» являются песчаники. Коллекторские свойства песчаников углевмещающей толщи шахтного поля высокие. Песчаники углевмещающей толщи шахты «Белореченская» соответствуют коллекторам порового типа, а в сочетании с локальными структурами они образуют ловушки свободного метана структурно-порового типа. Оценка и подсчет запасов газа метана в угольных пластах m61, l6+l6н, состоящих на балансе шахты «Белореченская», произведен по фигурам подсчета запасов угля [1,2].
Главными факторами, которые определили характер изменения газоносности описываемой площади, является высокая газонасыщенность толщи, которая генерирует метан, тектоническое строение (присутствие дизъюнктивных нарушений типа надвигов, флексурных изгибов), перераспределение скоплений свободных газов вследствие развития локальных пликативных структур, высокие фильтрационно-ёмкостные свойства вмещающих пород и присутствие непроницаемых меловых отложений в верхней части разреза, препятствующих деметанизации [4,8].
Локальные неоднородности гипсометрических поверхностей выявляются путем снятия регионального фона (построения аппроксимирующей плоскости), что позволяет математическими методами выделять складки (структуры второго порядка), осложняющие моноклинальные структуры [2].
Исследования были проведены по полю шахты «Белореченская». Для анализа был выбран пласт l6. Исследования выполнялись по данным 156 скважин, а также использовались сведения о газоносности вмещающих пород по данным промыслово-геофизических и газокаротажных исследований, результаты интерпретации данных промыслово-геофизических исследований и газового каротажа по пластам-коллекторам, использовались сведения об относительной метанообильности горных выработок шахты «Белореченская» (1999-2006гг).
Для выявления структурных ловушек свободного метана в угленосной толще шахты «Белореченская» был проведен тренд-анализ плоскости почвы угольного пласта l6, являющегося коллектором сорбированного и свободного метана, и плоскости кровли основных горизонтов песчаников, являющихся коллекторами свободного метана.
Тренд-анализ поверхности горизонтов (кровли песчаников или почвы – в случае угольных пластов) позволяет путем снятия регионального фона (построения аппроксимирующей плоскости) выявить локальные неоднородности гипсометрических поверхностей исследуемых горизонтов, т.е. математическими методами выделить складки, осложняющие общие структуры. Опыт ведения очистных работ показал, что, как правило, притоки воды приурочены к отрицательным (ниже аппроксимирующей плоскости) локальным структурам, а подъемы пласта (положительные локальные структуры) сопровождаются повышенными выделениями метана в горные выработки. Обобщение этого опыта позволило путем выделения положительных локальных структур прогнозировать скопления свободного метана в угленосной толще данного месторождения [1,3].
Рис.1. Поле шахты «Белореченская». Локальные структуры пласта l6 совмещенные с локальными структурами песчаников
(5 кадров, задержка 50, повтор бесконечный, 134 КБ, MP Gif Animator)
Условные обозначения:
В основе метода лежит анализ построенных карт локальных структур угольных пластов, представляющих собой проекцию пласта на прямолинейную (или криволинейную) аппроксимирующую поверхность, а в качестве показателя тектонической сложности использовались абсолютные значения градиентов превышения локальных структур, которые рассчитывались как отношения превышений к расстоянию между рассматриваемыми точками.
При построении локальных структур выбрано приложение ArcGis 8.3. Оно содержит более 450 инструментов: для проведения анализа, конвертации, управления данными, геокодирования, динамической сегметации, картографии, работы с растрами; от оверлейных операций, построения буферных зон, инструментов для выявления пространственных закономерностей и управления данными до расширенных возможностей обработки растров, методов интерполяции и оценки качества данных, зональной фильтрации, многофакторного анализа, растровой алгебры, построения и проверки топологии, построения графических схем [12].
ГИС проект проводится в 4 этапа:
определение цели;
создание базы данных проекта;
- сбор данных для проекта;
- подготовка данных к анализу;
анализ данных;
представление данных.
ГИС – поддерживает несколько видов работы с географической информацией:
Базы геоданных – это пространственная база данных, содержащая набор данных, которые представляют географическую информацию в контексте общей модели данных ГИС (векторные объекты, растры, топология, сети и т.д.)
Геовизуализация – это набор интеллектуальных карт и других видов данных, которые показывают пространственные объекты и отношения между объектами на земной поверхности.
Геобработка - набор инструментов для получения новых наборов данных из существующих наборов данных. Функции обработки пространственных данных извлекают информацию из существующих наборов данных, применяют к ним аналитические функции и записывают полученные результаты в новые производные наборы данных, которая легко позволяет производить анализ тенденций и закономерностей.
На основе методики, разработанной ПО «Укруглегеология» совместно с ИГТМ, впервые с использованием программы ArcGis 8.3., создана база геоданных, построена карта локальных структур угольного пласта l6. (с данными по газоносности), структурные карты песчаников, совмещенные с картами изопахит. В сводных картах положительные локальные структуры песчаников наложены на основной угольный пласт. Участки, где локальные структуры совпадают в плане, являются наиболее перспективными как для дегазации толщи при ведении очистных работ, так и дегазации техногенных скоплений.
В результате этих построений выделены положительные структуры, перспективные для образования структурно-гранулярных ловушек свободного метана.
В данной работе проведено изучение закономерностей распределения газоносности пласта l6 шахты «Белореченская».
В работе используется программа ArcView, создана база данных, а также поисковая система. Рекомендовано использовать эту программу, т.к. она позволяет оперативно управлять пространственными данными, пополнять их в процессе ведения горных работ, с целью достоверного выявления локальных структур и точности построения аппроксимированной поверхности.
Будашева Л.О. «Анализ газоносности угольных пластов и газонасыщенности угленосной толщи поля шахты «Белореченская» для выявления скоплений свободного метана и определения наиболее оптимального местонахождения дегазационных скважин с поверхности», ПО «Укруглегеология», Донецк, 2007.
Геологический отчет о переоценке запасов каменных углей по полю шахты «Белореченская», ПО «Укруглегеология», Донецк, 1976.
Автореферат С.Ю. Приходченко «Геологічні чинники формування та закономірності розташування перспективних ділянок для видобутку метану з вугільних пластів Красноармійського геолого-промислового району Донбасу», Дніпропетровськ-2000
Геологический отчет о переоценке запасов каменных углей по полю шахты «Белореченская», ПО «Укруглегеология», Донецк, 1976.
Гущенко О.И. Метод кинематического анализа структур разрушения при реконструкции тектонических полей напряжений. Поля напряжений и деформаций в литосфере. Москва, Наука, 1979.
Інструкція (проект) по підрахунку запасів та оцінки ресурсів газу (метану) вугільних родовищ України за результатами геологорозвідувальних робіт, Державний комітет природних ресурсів України, Департамент геологічної служби, Київ, 2005.
Інструкція (проект) із застосування Класифікації запасів і ресурсів корисних копалин державного фонду надр до геолого-економічної оцінки загальних (емісійних) та видобувних запасів шахтного метану вуглегазових родовищ в зонах супутньої, технологічно необхідної дегазації під час розробки вугільних пластів, ДКЗ України, Київ, 2007.
Инструкция по определению и прогнозу газоносности угольных пластов и вмещающих пород при геологоразведочных работах. М.: Недра, 1977.
Руководство по определению и прогнозу газоносности вмещающих пород угольных месторождений при геологоразведочных работах, Ростов-на-Дону, ВНИГРИуголь, 1987
Каталог метаноносности и выбросоопасности основных угольных пластов Донецкого и Львовско-Волынского бассейнов в границах действующих шахт, ПО «Укруглегеология», ДПИ, Донецк, 1990
The ArcObjects Developer Kit.The Microsoft Component Object Model.Copyright © Environmental Systems Research Institute, Inc.
К вопросу о системе картографических понятий, определений, терминов ГИС. Л.М. Бугаевский, В.Я. Цветков.Журнал «Геодезия и картография». - 2001. - №2. - С. 42-44.
Трубецкой К.Н., Клебанов А.Ф., Владимиров Д.Я. Геоинформационные системы в горном деле - Институт проблем комплексного освоения недр РАН, г.Москва http://www.scgis.ru/russian/cp1251/dgggms/3-98/trubeckoy.htm