Tectonic factors affecting coal bed methane distribution in the Donets basin

Донецький басейн є найбільшим вугледобувним регіоном України. Вугільні копальні Донбасу - серед найбільш небезпечних за газовим фактором у світі. Більшість шахт басейну працює у межах тектонічних блоків з широким розвитком зон малоамплітудної тектонічної порушеності зсувного генезису. Спеціальну ува...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2011
Hauptverfasser:	Privalov, V.A., Sachsenhofer, R.F., Panova, E.A., Antsiferov, V.A.
Format:	Artikel
Sprache:	English
Veröffentlicht:	Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України 2011
Schriftenreihe:	Наукові праці УкрНДМІ НАН України
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99756
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Tectonic factors affecting coal bed methane distribution in the Donets basin / V.A. Privalov, R.F. Sachsenhofer, E.A. Panova, V.A. Antsiferov // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2011. — № 9, ч. 2. — С. 469-479. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-99756
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-997562016-05-03T03:02:39Z Tectonic factors affecting coal bed methane distribution in the Donets basin Privalov, V.A. Sachsenhofer, R.F. Panova, E.A. Antsiferov, V.A. Донецький басейн є найбільшим вугледобувним регіоном України. Вугільні копальні Донбасу - серед найбільш небезпечних за газовим фактором у світі. Більшість шахт басейну працює у межах тектонічних блоків з широким розвитком зон малоамплітудної тектонічної порушеності зсувного генезису. Спеціальну увагу має бути приділено аналізу локальних структурно-тектонічних режимів, що впливають на розподіл метану і оцінку його ресурсів. Проникність вуглепородного масиву та варіації просторового розподілу метанових покладів зумовлені сучасним розподілом полів тектонічних напружень та насамперед локалізацією ділянок локального розтягу-стиску. Нашими дослідженнями встановлено, що так звані «солодкі ділянки» з видобутку метану просторово тяжіють до доменів з відносно великою проникністю, котрі розвиваються у межах секторів призсувного розтягу (дилатаційного розущільнення) в контурі зсувних зон. Донецкий бассейн является наибольшим угледобывающим регионом Украины. Угольные шахты Донбасса - среди наиболее опасных по газовому фактору в мире. Большинство шахт бассейна работает в пределах тектонических блоков с широким развитием зон малоамплитудной тектонической нарушенности сдвигового генезис. Специальное внимание должно быть уделено анализу локальных структурно-тектонических режимов, которые влияют на распределение метана и оценку его ресурсов. Проницаемость углепородного массива и вариации пространственного распределения метановых залежей обусловлены современным распределением полей тектонических напряжений и в первую очередь локализацией участков локального растяжения-сжатия. Нашими исследованиями установлено, что так называемые «сладкие участки» по добыче метана пространственно тяготеют к доменам с относительно большой проницаемостью, которые развиваются в пределах секторов присдвигового растяжения (дилатационного разуплотнения) в контуре зон сдвиговых зон. 2011 Article Tectonic factors affecting coal bed methane distribution in the Donets basin / V.A. Privalov, R.F. Sachsenhofer, E.A. Panova, V.A. Antsiferov // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2011. — № 9, ч. 2. — С. 469-479. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1996-885X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99756 551.243:553.981:622.279 en Наукові праці УкрНДМІ НАН України Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	English
description	Донецький басейн є найбільшим вугледобувним регіоном України. Вугільні копальні Донбасу - серед найбільш небезпечних за газовим фактором у світі. Більшість шахт басейну працює у межах тектонічних блоків з широким розвитком зон малоамплітудної тектонічної порушеності зсувного генезису. Спеціальну увагу має бути приділено аналізу локальних структурно-тектонічних режимів, що впливають на розподіл метану і оцінку його ресурсів. Проникність вуглепородного масиву та варіації просторового розподілу метанових покладів зумовлені сучасним розподілом полів тектонічних напружень та насамперед локалізацією ділянок локального розтягу-стиску. Нашими дослідженнями встановлено, що так звані «солодкі ділянки» з видобутку метану просторово тяжіють до доменів з відносно великою проникністю, котрі розвиваються у межах секторів призсувного розтягу (дилатаційного розущільнення) в контурі зсувних зон.
format	Article
author	Privalov, V.A. Sachsenhofer, R.F. Panova, E.A. Antsiferov, V.A.
spellingShingle	Privalov, V.A. Sachsenhofer, R.F. Panova, E.A. Antsiferov, V.A. Tectonic factors affecting coal bed methane distribution in the Donets basin Наукові праці УкрНДМІ НАН України
author_facet	Privalov, V.A. Sachsenhofer, R.F. Panova, E.A. Antsiferov, V.A.
author_sort	Privalov, V.A.
title	Tectonic factors affecting coal bed methane distribution in the Donets basin
title_short	Tectonic factors affecting coal bed methane distribution in the Donets basin
title_full	Tectonic factors affecting coal bed methane distribution in the Donets basin
title_fullStr	Tectonic factors affecting coal bed methane distribution in the Donets basin
title_full_unstemmed	Tectonic factors affecting coal bed methane distribution in the Donets basin
title_sort	tectonic factors affecting coal bed methane distribution in the donets basin
publisher	Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
publishDate	2011
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99756
citation_txt	Tectonic factors affecting coal bed methane distribution in the Donets basin / V.A. Privalov, R.F. Sachsenhofer, E.A. Panova, V.A. Antsiferov // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2011. — № 9, ч. 2. — С. 469-479. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
series	Наукові праці УкрНДМІ НАН України
work_keys_str_mv	AT privalovva tectonicfactorsaffectingcoalbedmethanedistributioninthedonetsbasin AT sachsenhoferrf tectonicfactorsaffectingcoalbedmethanedistributioninthedonetsbasin AT panovaea tectonicfactorsaffectingcoalbedmethanedistributioninthedonetsbasin AT antsiferovva tectonicfactorsaffectingcoalbedmethanedistributioninthedonetsbasin
first_indexed	2025-07-07T09:52:54Z
last_indexed	2025-07-07T09:52:54Z
_version_	1836981394534825984
fulltext	Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина II), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part II), 2011 469 УДК 551.243:553.981:622.279 TECTONIC FACTORS AFFECTING COAL BED METHANE DISTRIBUTION IN THE DONETS BASIN Privalov V. A. (Donetsk National Technical University, Ukraine) Sachsenhofer R. F. (Montanuniversität Leoben, Austria) Panova E. A., Antsiferov V. A. (UkrNIMI, Donetsk, Ukraine) Донецький басейн є найбільшим вугледобувним регіоном України. Вугільні копальні Донбасу - серед найбільш небезпечних за газовим фактором у світі. Більшість шахт басейну працює у межах тектонічних блоків з широким розвитком зон малоамп- літудної тектонічної порушеності зсувного генезису. Спеціальну увагу має бути приділено аналізу локальних структурно- тектонічних режимів, що впливають на розподіл метану і оцінку його ресурсів. Проникність вуглепородного масиву та варіації просторового розподілу метанових покладів зумовлені сучасним розподілом полів тектонічних напружень та насамперед локалі- зацією ділянок локального розтягу-стиску. Нашими досліджен- нями встановлено, що так звані «солодкі ділянки» з видобутку метану просторово тяжіють до доменів з відносно великою проникністю, котрі розвиваються у межах секторів призсувного розтягу (дилатаційного розущільнення) в контурі зсувних зон. Донецкий бассейн является наибольшим угледобывающим регионом Украины. Угольные шахты Донбасса - среди наиболее опасных по газовому фактору в мире. Большинство шахт бас- сейна работает в пределах тектонических блоков с широким развитием зон малоамплитудной тектонической нарушенности сдвигового генезис. Специальное внимание должно быть уделено анализу локальных структурно-тектонических режимов, кото- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина II), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part II), 2011 470 рые влияют на распределение метана и оценку его ресурсов. Проницаемость углепородного массива и вариации простран- ственного распределения метановых залежей обусловлены со- временным распределением полей тектонических напряжений и в первую очередь локализацией участков локального растяжения- сжатия. Нашими исследованиями установлено, что так называ- емые «сладкие участки» по добыче метана пространственно тяготеют к доменам с относительно большой проницаемостью, которые развиваются в пределах секторов присдвигового рас- тяжения (дилатационного разуплотнения) в контуре зон сдвиго- вых зон. Fault of the Donets Basin (Ukraine/Russia) has a centuries-long history of coal exploration and mining. Very thick Carboniferous sed- imentary deposits, that included significant organic material, were ac- cumulated repeatedly throughout 14 km thick Late Viséan- Serpukhovian-Pennsylvanian succession. These formations subse- quently were buried and uplifted in such a way that economically im- portant hydrocarbon (especially coal) resources formed at economical- ly exploitable depths in the Earth. The Donets Basin (Donbas) con- tains one of the major coal fields in the world. Thermal maturation of concentrated in coal beds and dispersed in the Carboniferous host rocks organic matter has led to formation of an enormous methane re- source. Most of methane in coal beds is sorbed onto microporous sur- faces of coal beds and dispersed coaly matter in rock massive. The significant methane resource is expected as result of conventional trapping related with gas migration and permeability contrasts of tec- tonic and lithological origin. Most of the mines are operated within thrust-bounded domains with abundant occurrence of small- displacement strike-slip tectonic zones. Emissions of coal gas released by mining and related structurally induced underground hazards (coal- and-gas outbursts) are a major problem for safe and efficient coal ex- ploitation in the basin. In the course of mining in the Donets Basin, about two billion cubic meters of methane gas a year are vented into the atmosphere, which could otherwise be captured and used to pro- duce heat and electricity. Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина II), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part II), 2011 471 In 3-D view, the Donbas is a deformed prismatoidal block locat- ed on the intersection of the NNW striking Early Proterozoic weak zone bracketed by Mariupol-Kursk (MK) and Lipetsk-Konstantinovsk (LK) lineaments [1] within the Sarmatian segment of the East Europe- an Craton and the Late Devonian PDDK rift (Fig. 1). Deep tectonic framework of the basin includes a set of NE striking basement trans- verse zones of lazy Z-shape geometry. The most prominent Donets- Kadievka and Elantchik-Rovenki transverse zones are expressed in a sedimentary cover by intensive shallow (2,5 – 3,5 km) faulting. Being essentially a “solitary” block within continuous rift system, the Don- bas responded much more sensitively to plate motion stresses accom- modating them in strike-slip and reversed fault reactivations, block ro- tations within marginal master faults and the principal displacement zone in the centre of the Basin. Domal fault-breached structures along the northern marginal Donets Basin host conventional gas deposits in Bashkirian and Mos- covian levels, whereas conventional gas occurs in Serpukovian levels in the southern Krasnoarmeisk and Southern Donbas regions. Total thickness of Devonian pre- and syn-rift rocks is 750 m at the margins of the Donets Basin, but may reach 5 km along the basin center. The Carboniferous sequence is subdivided into lithostrati- graphic units named as suites. Most of suites, e.g. B (C1 2), C (C1 3), D (C1 4), E (C2 0 = former index C1 5), F (C2 1), G (C2 1), F (C2 2), I (C2 4), K (C2 5), L (C2 6), M (C2 7), N (C3 1), O (C3 2), P (C3 3), consist of typical coal-bearing paralic measures, but the lowermost suite A (C1 1) is rep- resented entirely by Tournaisian-Early Viséan carbonate-dolomite strata. The wide-scale industrial underground coal mining began in the Donets Basin in 1796. The Carboniferous basin fill hosts 330 identified coal seams and layers to a depth of 1800 m with proven reserves in the order of 60 Gt. The most of coal seams are typically thin, but have a wide lateral dis- tribution. Principal coal reserves are accumulated in seams 0,6 to 1,0 m thick. However, about 36 % of coal reserves were identified in 12 seams more than 1.0 m thick. About 95,5 % of annual Ukraine's hard coal production (72,22 Mt in 2009) is from the Donets Basin. The thickness of coal seams currently mined is in the range of 0,6 to 2,5 m. Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина II), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part II), 2011 472 Fig. 1. Geostructural position of the Donets Basin within the Sarmatian segment of the East European Craton (Moho contours and deep-seated faults are shown; modified af- ter [2]) and geological cross-section along DOBRE seismic profile (modified after [3]) with indicated distri- bution of conventional and unconventional gas deposits The thermal maturation of coal deposits in the Donbas basin has led to generation of huge quantities of methane. CBM accumulations were formed in the Donets Basin during a number of phases includ- ing: Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина II), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part II), 2011 473 1) thermogenic hydrocarbons generation during pre-inversion Carboniferous-Early Permian burial and post-inversion thermal heat- ing event caused Late Permian-Triassic andesitic magmatic intru- sions (~250 Ma) of regional importance; 2) intensive gas migration, redistribution and even loss triggered by Permian and Mesozoic uplift/folding episodes; 3) multifold and multistage CBM trapping within fractured and sealed secondary reservoirs during Late Cimmerian and Alpine tecton- ic events. Coaly clastics and coal seams could have sourced the gas also at deep levels of the basin [5, 6]. According results of artificial maturation of Donbas coal sam- ples [6] (Fig. 2): Fig. 2. Hydrocabon gases generation vs. coal rank after results of artificial maturation of Donbas coal samples Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина II), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part II), 2011 474 1) thermal generation of gas from humic coal beds begins at 0,7 % Rо; 2) large amounts of methane were formed at high temperatures by cracking of previously formed heavier hydrocarbons; 3) peak hydrocarbon gases’/ methane generation may occur at levels of thermal maturity between in 1,9 – 2,8 % Rо. In terms of coal rank, the coal in the Donets Basin ranges from lignite to bituminous and anthracite (Fig. 3). Much attention has been recently given to exploration using coal rank analysis and burial history reconstruction (e.g. [8]). Much more attention needs to be given to analysis of local tectonic-and-structural regimes affecting CBM producibility and resource assessments. Per- meability patterns and, more specifically, lateral variations of methane content in coal beds are critically dependant upon present stress-state state and spatial distribution of local extension-compression domains. It has been observed that CBM production sweet spots, which tend to occur at relatively high permeability compartments, are typically structurally controlled by releasing bends or dilation traps located along strike-slip tectonic zones (Fig. 4). Fig. 3. Coalification map of the Donets Basin at the top of the Carboniferous (modified after [7]). Regions with coal ranks responsible for maximal HC gases’ / methane con- tent are shown in blue Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина II), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part II), 2011 475 Fig. 4. Progressive increase of fracture/cleat apertures during formation of fractured reservoir of pull-apart morpholo- gy in sandstones related with dextral strike-slip Cimme- rian-Alpine reactivation in the Krasnoarmeisk region The flow of fluids (liquid and gaseous hydrocarbons, water) through coal-bearing strata is governed by permeability. Coal bed and sandstone permeability is a result of the natural fracture systems and consists of cleats of mostly tectonic origin. Strike-slip deformations are recognised across the entire basin in wide-scale range of struc- tures. Most of the mines are operated within thrust-bounded domains with abundant occurrence of small-displacement strike-slip tectonic zones. It has been concluded that small displacement faults are con- centrated within strike-slip zones with clear patterns of Riedel (R1 and R2), Y and P shears [9]. Such deformation bands as Riedel shears are barriers to fluid flow, however development of local releasing envi- ronments, e.g. of pull-apart morphology, enhance permeability due to progressive increase of cleat apertures. Fig. 5, b demonstrates results of fractal treatment of gravimetric data [10] based on transformation of Saxov and Nygaard [11] in the area of the Ukrainian Donbas. The depicted basement fault pattern (Fig. 5, c) advocates: 1) prominent structural control of distribution of conventional gas deposits in dome-type and fault-breached structures within Don- bas margins; 2) presence to north from Lugansk a set of dextral shear belts, that can facilitate gas migration; 3) presence in the Krasnormeisk monocline area of dextral strike-slip zone containing row of CBM production sweet spots (rela- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина II), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part II), 2011 476 tively high permeability compartments) within severe domains of lo- cal extension. Fig. 5. a- tectonic map of the western part of the Donbas; b- re- sults of fractal treatment of gravimetric data; c - depicted deep basement patterns. The location of C1 sector with releasing environment due to block rotation and tectonic escape is shown The presence of fractured reservoir of pull-apart morphology in sandstones here can be proved by results of 3D seismic exploration techniques. Fig. 6 exhibits location of faults and horizontal slice of 3D seismic cube within Krasnolimanskaya mine with characteristic ge- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина II), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part II), 2011 477 ometry of released jog between junction of two regional “normal faults” (in fact, these are dextral shears). The Krasnolimanskaya mine is one of the most dangerous coal mines in the basin due to naturally high levels of methane, relatively high permeability of coal-bearing strata and significant risk of coal dust explosion hazards. Here within the Krasnolimanskaya mine gas accumulations are coincided with sandstones horizons l7Sl6, l6Sl5, l5Sl4, l4Sl3, l2Sk7, k7Sk5: open porosity of these is varying from 10,58 to 4,68 %, permeability is in range 0,06 –0,69 mD. Free bitumen showings are recorded within horizons m8Sm9, M5Sm5, m4 1Sm3, l8Sl8 1, l4 1 Sl5, L7Sl7, k8Sl1, k9Sk7 5, k7 2Sk9, k7 1Sl7 2 (mainly in region of Glubokoyarsky fault). Maximal gas content is documented as 14,0, 14,0, 20,1, 27,8, 24,3, 26,6, 24,1, 25,4 m3/tdaf within seams m6 2, m4 2, l7, l5, l4, l3, k7, k5 at following depths 338, 429, 406, 467, 538, 632, 634, 980 m. It has been observed here that the most intensive methane emis- sions during underground mining coal seams are typically related with zones of active recent migration of hydrocarbons from deeply seated dilatational traps. Fig. 6. Horizontal section of 3D seismic cube within Krasnoli- manskaya mine in Krasnoarmeisk monocline region Methane occurs here within coal seams, but also within sand- stone reservoirs. Sandstone formation is characterised by significant variation within the section. Maximal total thickness of sandstones Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина II), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part II), 2011 478 within interval l1 – l5 is recorded on Krasnolimanskaya mine and Severo-Rodinsky site. Gas content in sandstones increases with total thickness of sandstones. REFERENCES 1. Привалов В.А., Панова Е.А., Азаров Н.Я. Тектонические фазы в Донецком бассейне: пространственно-временная локализа- ция и характер проявления // Геологія і геохімія горючих ко- палин. - 1998. – № 4. – С. 11 – 18. 2. de Boorder H., Zeylmans van Emmichoven M., Privalov V. A. Distribution of Precambrian iron and gold deposits on the south- western East European Platform reflected in underlying transcrus- tal structure and current river systems // Ore Geology Reviews. – 2006. – V. 29, P. 242 – 259. 3. Saintot A., Stephenson R., Brem A., Stovba S., Privalov V. Pale- ostress field reconstruction and revised tectonic history of the Donbas fold and thrust belt (Ukraine and Russia) // Geology. – 2003. – Vol. 22. – P. 1059. 4. Alsaab D., Elie M., Izart A., Sachsenhofer R.F., Privalov V.A., Suarez-Ruiz D., Panova E.A. Distribution of thermogenic methane in Carboniferous coal seams of the Donets Basin (Ukraine): "applications to exploitation of methane and forecast of mining hazards" // International Journal of Coal Geology. – 2009. – Vol. 7 8. – No. 1, p. 27 – 37. 5. Привалов В.А., Анциферов В.А., Панова Е.А., Изар А., Сак- сенхофер Р.Ф. Параметризация органического вещества газо- материнских толщ Донецкого бассейна // Наукові праці Дон- НТУ: Серія гірн. – геол. – 2005. – Вип. 96. – С. 137 – 145. 6. Привалов В.О., Панова О.А., Ізар А., Альсааб Д. Результати експериментальних досліджень газогенераційних властивос- тей вугілля Донбассу // Наукові праці УкрНДМІ НАН Украї- ни. – 2009. – Вип. 5. – С. 344 – 357. 7. Sachsenhofer R.F., Privalov V.A., Zhykalyak M.V., Bueker C., Panova E., Rainer T., Shymanovskyy V.A., Stephenson R. The Donets Basin (Ukraine/Russia): Coalification and thermal history // International Journ. of Coal Geol. – 2002. – Vol. 49. – P. 33 – 55. Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина II), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part II), 2011 479 8. Panova E.A., Privalov V.A., Sachsenhofer R.F., Antsiferov V.A. Exploration strategy in the Donets basin (Ukraine): definitions from thermal and burial history reconstructions // Extended ab- stracts of EAGE 67th Conference & Exhibition, Madrid, Spain, 13 – 16 June 2005, P 237. 9. Привалов В.А. Закономерности распространения и эволюции тектонической нарушенности в Донецко-Макеевском районе Донбасса // Изв. высш. уч. зав.: Геология и разведка. – 1990.– № 3.– С. 46 – 55. 10. Булат А.Ф., Дырда В.И., Привалов В.А., Панова Е.А., Звяги- льский Е.Л. Фракталы в геомеханике.– К.: Наук. думка, 2007. – 392 с. 11. Saxov S., Nygaard K. Residual anomalies and depth estimation // Geophysics. – 1953.– V. 18. – Issue 4.– P. 913 – 928.

Tectonic factors affecting coal bed methane distribution in the Donets basin

Institution

Ähnliche Einträge