авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Надмолекулярно-поровая структура и сорбционная способность углей в комплексе геологических факторов прогноза и оценки метаноносности угольных пластов юго-западн

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

НОВИКОВА Валентина Николаевна

НАДМОЛЕКУЛЯРНО-ПОРОВАЯ СТРУКТУРА И СОРБЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ УГЛЕЙ В КОМПЛЕКСЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ПРОГНОЗА И ОЦЕНКИ МЕТАНОНОСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ЮГО-ЗАПАДНОГО ДОНБАССА

Специальность 25.00.11 - Геология, поиски и разведка твердых полезных ископаемых, минерагения

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете)

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Кирюков Владимир Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Якуцени Вера Прокофьевна

кандидат геолого-минералогических наук

Яковлев Олег Николаевич

Ведущее предприятие: Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский геологический институт им. А.П.Карпинского» (ФГУП «ВСЕГЕИ»)

Защита диссертации состоится 24 июня 2009 г. в 16:00ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.01 при Санкт-Петербургском государственном горном институте по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21 -я линия, д. 2, ауд. 4312.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 22 мая 2009 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

к. г.-м. н., доцент И.Г. КИРЬЯКОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: Угольный метан - фактор опасности при ведении горных работ на угольных шахтах, является и дополнительным источником энергетических ресурсов. Решение вопросов генерации, выделения и накопления метана связано с изучением форм его нахождения в углях и вмещающих породах, с исследованием геологических условий формирования и распространения метана в угленосных отложениях. Изучение закономерностей распределения и форм локализации метана в углях (свободной, сорбированной, кластерной) необходимо для прогнозной оценки метаноносности угольных пластов и разработки способов их дегазации как шахтным, так и газопромысловым способами. Оценка параметров надмолекулярной структуры углей и их сорбционной способности необходимы для расчетов метановыделения при угледобыче и для прогноза газодинамических явлений в угольных пластах. Аналитика надмолекулярного уровня имеет большой потенциал в изучении процессов углеобразования и связанной с ними метаногенерации. Закономерности распределения и формы локализации метана в углях, параметры их надмолекулярной структуры и сорбционной способности являются актуальными вопросами современной угольной геологии, теоретической базой для подготовки промышленных решений в сфере комплексного, безопасного и рационального освоения газоугольных месторождений.

Цель работы: Разработка новых методических подходов к анализу процессов метаногенерации и форм локализации угольного метана в углях на основе исследования поровой структуры витринита с использованием растровой электронной микроскопии, для прогноза и оценки газового потенциала угольных пластов.

Основные задачи исследования: 1. Изучение структуры порового пространства и особенностей строения надмолекулярных агрегатов углей методом растровой электронной микроскопии.

2. Выявление корреляционных связей между структурами порового пространства и метаноемкостью углей.

3. Анализ взаимосвязи между параметрами надмолекулярной структуры углей и степенью их метаноносности, с количественной оценкой процессов метаногенерации.

4. Разработка рекомендаций по прогнозной оценке метаноносности угольных пластов при их разработке на глубоких шахтных горизонтах.

Фактический материал и личный вклад автора: Геологической базой для исследования надмолекулярной структуры и сорбционной способности клареновых углей среднего карбона в связи с их метаноносностью был выбран Юго-Западный Донбасс. Первичным материалом для работы стал накопленный в Санкт-Петербургском горном институте фонд данных опробования по 38 угольным пластам в 180 шахтах и в глубоких скважинах на 50 разведочных участках. Использованы также фондовые материалы о данных опробования угольных пластов, замерах выделения метана на шахтах Юго-Западного Донбасса и при разведке отдельных участков. Изучались как отдельные пластопересечения, так и информация в масштабе шахтных полей; 5 полигонов были выбраны для проверки получаемых результатов и мониторинга данных по газовыделениям и изменчивости характеристических параметров. Были выбраны типичные для региона поля шахт «Заперевальная», им. А.А.Скочинского, «Горская», «Запорожская», где шахтными геологами проводились длительные (до 1 года) наблюдения с систематическим опробованием забоев по мере их продвижения. Для возможно полной оценки влияния геологических факторов точки пробоотбора выбирались целенаправленно. Подбирались пробы углей всех стадий метаморфизма: от слабо метаморфизованных до антрацитов начальных стадий. Центральная часть Кальмиус-Торецкой синклинали дополнительно охарактеризована по данным глубокого опорного бурения – использованы материалы по 3 скважинам глубиной до 3 км.

Автором работы проведено изучение углей из составленной выборки методами растровой электронной микроскопии и лабораторного метанонасыщения, разработана методика интерпретации полученных данных, предложены модели формирования полостного пространства в структуре витринита. В целом, в работе применен системный подход с комплексным использованием результатов, полученных различными методами исследования. Основные выводы и заключения базируются на теории метастабильной метаногенерации в процессе углеобразования с послойно-объемным заполнением пор. Составлена схема распространения угольных залежей с различным потенциалом газогенерации на площади Юго-Западного Донбасса.

Исследования, ставшие основой диссертационной работы, выполнены при поддержке Фонда фундаментальных исследований и Программы «Университеты России» Министерства образования и науки РФ.

Основные методы исследований: При выполнении работы использовались два метода изучения надмолекулярной структуры и сорбционной способности метаноносных углей: растровая электронная микроскопия и определение параметров метанонасыщения. Надмолекулярные структуры и поровое пространство витринита в углях всех стадий метаморфизма (от 1Д до 9-10А) изучались автором с использованием более 1000 снимков растровой электронной микроскопии (РЭМ) для 200 проб, ориентированных по напластованию. Характеристика структур витринитового вещества составлена на основе компьютерной обработки этих снимков с применением специализированного программного пакета VideoTest. Параллельно анализировались параметры метанонасыщения для выборки из 400 угольных проб. Испытания метаноемкости углей выполнялись в лаборатории ПО «Укруглегеология» г. Донецка. Для проверки полученных результатов автором использовались данные рентгеноструктурного анализа метаноносных углей всех стадий метаморфизма, полученные при исследованиях, проведенных в Санкт-Петербургском горном институте (В.В.Кирюков, Ш.Чакроборти) и ИПКОН РАН (А.Т.Айруни, И.В.Зверев, М.О.Долгова и др.)

Научная новизна: 1. Установлены закономерные изменения морфологических особенностей и полостного объема порового пространства углей в зависимости от степени их метаморфизма и геодинамических факторов.

2. Выявлено закономерное изменение типов микрозалежей угольного метана в зависимости от особенностей надмолекулярной структуры углей.

Практическая значимость: 1. Установлены закономерности распределения метана в угольных пластах, позволяющие прогнозировать локализацию газовых микрозалежей в пределах шахтных полей.

2. Предложены методы оценки вероятной метаноносности углей по данным растровой электронной микроскопии и лабораторного метанонасыщения.

Достоверность защищаемых положений, выводов и рекомендаций обеспечивается большим объемом фактического материала по исследованию витринита с использованием как лабораторных методов (РЭМ и др.), так и геологоразведочных данных. Результаты исследования газоносности углей, полученные на пробах, отражающих все стадии их метаморфизма, хорошо согласуются с результатами исследований, ранее проведенных по этой тематике.

Апробация работы и публикации: Материалы диссертационной работы на отдельных этапах её выполнения докладывались на ежегодных научных конференциях молодых ученых Санкт-Петербургского горного института «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2003, 2005, 2008 гг.); на 11-ом Всероссийском угольном совещании (Ростов на Дону, октябрь 2006 г.); на Международных научно-практических конференциях «Метан угольных месторождений Украины» в институте геотехнической механики НАН Украины (г. Днепропетровск, октябрь 2006, 2008 гг.).

По материалам диссертации опубликовано 10 статей, в т. ч. 3 - в издании, входящем в перечень ВАК Минобрнауки России).

Структура и объем работы: Диссертационная работа включает 211 машинописных страниц, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 154 наименований, содержит 41 рисунок, 12 таблиц, 7 приложений.

Краткое содержание работы: Во введении обоснована актуальность темы диссертации. В первой главе описаны особенности геологического строения Юго-Западной части Донбасса, как объекта исследований. Во второй главе обосновывается целенаправленный характер подбора фактического материала, использованного в работе. В третьей главе рассмотрено состояние изученности надмолекулярной структуры углей и теоретические основы ее исследования, обосновывается методика исследований двумя основными методами: растровой электронной микроскопии (РЭМ) и метанонасыщения, с необходимыми дополнениями (рентгеноструктурный анализ). Рассмотрены возможности метода РЭМ и разработана методика интерпретации его данных. В четвертой главе приведены результаты изучения полостного пространства в углях методами РЭМ и метанонасыщения. В пятой главе оценивается состояние изученности концентраций метана в угольных пластах, определяются геологические факторы, контролирующие их метаноносность. По комплексу этих факторов, с учетом данных о надмолекулярно-поровой структуре и сорбционной способности метаноносных углей разных стадий метаморфизма, предложена классификация залежей метана в угольных пластах и схема их площадного распространения. В заключении сформулированы основные результаты исследований.

Благодарности: Автор выражает глубокую, искреннюю признательность своему научному руководителю - д.г.-м.н., проф. В.В.Кирюкову за высококвалифицированное руководство и повседневную методическую помощь. Искренняя благодарность обращена к коллективу кафедры Геологии и разведки месторождений полезных ископаемых Горного института за внимание и всестороннюю поддержку, прежде всего, со стороны руководства кафедры - проф. А.В. Козлова и доц. В.Б. Арчегова, а также со стороны доц. В.А. Степанова. Целенаправленный подбор представительного материала для исследований и исчерпывающие консультации по первичным данным были обеспечены научным содружеством Санкт-Петербургского горного института с Донецким ПО «Укруглегеология» (проф. О.А. Кущ; геологи А.Д. Бондаренко, М.Ф. Буряченко, А.А.Козлитин и др.), ПГО «Донбассгеология» (Н.В.Жикаляк, И.Ф.Лысенко), Донецким политехническим институтом (проф. Б.С.Панов, И.Ю.Кессарийская и др).

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ обоснование:

1. Особенности структуры витринита главного компонента ископаемых углей, выявленные методом растровой электронной микроскопии (РЭМ), отражают строение его надмолекулярных агрегатов и закономерно изменяются в зависимости от стадий метаморфизма углей.

В донецких углях среднего карбона гелефицированное вещество – витринит составляет 80-95% от общего объема угольной массы. Витринит является компонентом, который чутко реагирует на газодинамические явления. Сканирующая (растровая) электронная микроскопия (РЭМ) позволяет изучать, с увеличением до 100000, структуры витринита и определять их показатели: размеры надмолекулярных агрегатов; типы и свойства порового, межслоевого и трещинного полостного пространства (рис. 1, 2). С помощью метода РЭМ для генетических типов витринита, различных по восстановленности и стадиям метаморфизма, изучались строение и топография поверхности структурных образований, ориентация надмолекулярных агрегатов и пор. Наблюдения РЭМ раскрывают надмолекулярную структуру углей, как среду генерации и концентрации метана, их результаты позволяют прогнозировать микрогазодинамические явления, их морфометрические, структурные параметры.

Микроскопический анализ высокого разрешения позволил разработать типизацию структур витринитизированного вещества для углей всех стадий метаморфизма. Типовым является витринит с гомогенной (рис. 1.1), глобулярной - овоидной (рис. 1.2) и призматически-таблитчатой (рис. 1.3) структурой. Глобулярный тип характеризуется округлыми формами, наиболее отчетливо проявленными на контактах агрегатов. В углях средней стадии метаморфизма (4Ж-5К-6ОС, Сdaf = 91,8%) глобули деформированы, удлинены по наслоению. Сферолитовая структура (как частный случай глобулярной) характеризуется наиболее правильной формой поверхности. Призматически-таблитчатый тип представлен формами близкими к очертаниям призмы (табл. 1).

Рентгеноструктурными исследованиями методами широкого (СПГГИ(ТУ) - В.В.Кирюков, Ш.Чакроборти) и малоуглового пучка (ИПКОН РАН - Айруни А.Т., Зверев И.В., Долгова М.О. и др.) было установлено, что слабометаморфизованные угли сложены в основном аморфной массой, включающей небольшие рассеянные структурно организованные элементы. Их размеры укрупняются в более высокометаморфизованных углях. Метаморфизм на стадиях каменных углей обусловливает лишь ориентировку и трансформацию отдельных агрегатов, но в антрацитах интенсивно развивается кристаллизация, появляются структурные элементы типа кристаллитов.

В настоящей работе установлено, что, в зависимости от стадии их метаморфизма, изменяются формы и размеры полостного пространства в углях (рис. 2). Длиннопламенные угли 1Д характеризуются мелкими однородными закрытыми порами, чёткими контурами крупных пор по сколам.

Таблица 1. Типы структур витринита метаноносных углей и их характеристика по данным растровой электронной микроскопии (РЭМ).

Стадия метаморфизма Структура витринита двух основных генетических типов углей
Однородное вещество, генетический тип а (маловосстановленные угли) Агрегированное вещество, генетический тип в (восстановленные угли)
Начальная 1Д – 2-3Г Равномерное расположение сферических пор Сферы, сферические поры, сложная межагрегатная пористость
Средняя 4Ж – 5К -6ОС Деформированные поры, эллипсоидные поры, интенсивная трещиноватость Глобулы (деформируются по наслоению, преобразуются в овальную форму), усложнение и расслоение межагрегатных пор, сферические поры деформируются приобретают форму эллипсоида, интенсивно развивается трещиноватость
Переходная фаза от аморфного вещества к кристаллитному 7-8Т Небольшие размеры пор, завершается процесс изменения пористости Призмы, небольшие размеры пор, сложная форма межагрегатных пор
Высокая 9-10А Большой объем пористости, сложная форма пор Сложно- деформированные агрегаты, большой объем пористости, сложная форма пор

Для углей на стадии газовых 2Г-3Г характерна стабилизация формы, распределения и строения пор, их укрупнение сравнительно со стадией 1Д, что связано с началом развития метаногенерации. Распределение пор равномерное с нечеткой ориентировкой по наслоению. Угли по развитию пор неоднородны. На стадиях 4Ж, 5К, 6ОС преобладают сжатые удлинённые крупные поры, а также овальные, кавернозные и поры по наслоению. В углях тощих (Т) и антрацитах (А) типичны одиночные, удлинённые поры и поры по наслоению. В плоскостях сколов по наслоению поры имеет округлые очертания и неровную бугристую поверхность скола, по плоскостям скола наблюдаются гроздья таких пор.

В слабо метаморфизованных углях, начиная от марки 1Д до средних стадий 4Ж-5К, размеры пор возрастают; на стадии 6ОС их объем стабилизируется; затем к стадии 7Т-8Т происходит уменьшение их размеров; но далее, в антрацитах 9А-10А размеры пор вновь увеличиваются, как следствие перестройки структуры угольного вещества на этой стадии (рис. 3).

Рисунок 3. Изменение линейных размеров пор в зависимости от стадии метаморфизма метаноносных углей.

Эти данные подтверждаются лабораторными опытами метанонасыщения: интенсивность метаногенерации в углях также связана со стадией их метаморфизма (рис. 4). У пластов, сложенных антрацитами стадий 9-10А, обладающих повышенной пористостью, метанонасыщаемость и природная метаноносность одинаковы по величине, в чем отражается особое свойство углей начальных стадий антрацитообразования - их повышенная метаноносность.

 Изменение сорбционной метаноемкости углей среднего карбона при давлении-1

Рисунок 4. Изменение сорбционной метаноемкости углей среднего карбона при давлении 50 ат с увеличением их стадии метаморфизма (по выходу летучих веществ Vdaf).



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.