gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2025-06-425gscience-991Research ArticleMINERAL RESOURCES EXPLOITATIONРАЗРАБОТКА МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХJustification of the prospects for developing gas-bearing sites in the Karaganda coal basinОбоснование перспективности отработки газоносных участков Карагандинского угольного бассейнаhttps://orcid.org/0000-0002-1206-6889МусинР. А.MussinR. A.

Равиль Альтавович Мусин – ассоциированный профессор кафедры разработки месторождений полезных ископаемых

г. Караганда

Scopus ID 7005446397

Ravil A. Mussin – Associate Professor of the Department of Mineral Deposits Development

Karaganda

Scopus ID 7005446397

R.A.Mussin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5050-611XНемоваН. А.NemovaN. A.

Наталья Анатольевна Немова – старший научный сотрудник лаборатории открытых горных работ; доцент кафедры инженерной геодезии и маркшейдерского дела

г. Новосибирск

Scopus ID 56995813200

 

Natalia A. Nemova – Senior Researcher of the Open-Pit Mining Laboratory;  Associate Professor of the Department of Engineering Geodesy and Mine Surveying

Novosibirsk

Scopus ID 56995813200

fpvgn@misd.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9485-3669АхматнуровД. Р.AkhmatnurovD. R.

Денис Рамильевич Ахматнуров – руководитель лаборатории

г. Караганда

Scopus ID 57194187849

Denis R. Akhmatnurov – Head of the Laboratory

Karaganda

Scopus ID 57194187849

d.akhmatnurov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-0628-2654ЗамалиевН. М.ZamaliyevN. M.

Наиль Мансурович Замалиев – ассоциированный профессор кафедры разработки месторождений полезных ископаемых

г. Караганда

Nail M. Zamaliyev – Associate Professor of the Department of Mineral Deposits Development

Karaganda

nailzamaliev@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0000-1128-2056РешетняковЭ. Д.ReshetnyakovE. D.

Эдвард Дмитриевич Решетняков – инженер кафедры разработки месторождений полезных ископаемых

г. Караганда

Edvard D. Reshetnyakov – Engineer of the Department of Mineral Deposits Development

Karaganda

vip_red2001@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-0077-3404РезникА. В.ReznikA. V.

Александр Владиславович Резник – старший научный сотрудник лаборатории открытых горных работ

г. Новосибирск

Alexander V. Reznik – Senior Researcher of the Open-Pit Mining Laboratory

Novosibirsk

a-reznik@mail.ruКарагандинский технический университет имени Абылкаса СагиноваКазахстанAbylkas Saginov Karaganda Technical UniversityKazakhstanИнститут горного дела имени Н. А. Чинакала СО РАН; Сибирский государственный университет геосистем и технологийРоссияN. A. Chinakal Institute of Mining of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Siberian State University of Geosystems and TechnologiesRussian FederationИнститут горного дела имени Н. А. Чинакала СО РАНРоссияN. A. Chinakal Institute of Mining of the Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202523122025104321–337Copyright © Mussin R.A., Nemova N.A., Akhmatnurov D.R., Zamaliyev N.M., Reshetnyakov E.D., Reznik A.V., 20252025Мусин Р.А., Немова Н.А., Ахматнуров Д.Р., Замалиев Н.М., Решетняков Э.Д., Резник А.В.Mussin R.A., Nemova N.A., Akhmatnurov D.R., Zamaliyev N.M., Reshetnyakov E.D., Reznik A.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/991

The relevance of this study is due to the current need to meet energy resources demand. A promising option worth considering is the production of methane gas from unconventional sources, whose reserves significantly exceed those of conventional deposits. Objective: to evaluate gas-bearing sites and justify the principles for rating their prospects based on an analysis of geological and technological factors affecting the process of gas release from coal seams. To achieve this goal, the study examined the Karaganda coal basin as a promising district for methane gas extraction, divided into five sites: Tenteksky, Saransky, Promyshlenny, Sherubainurinsky, Taldykuduksky. The most gas-bearing seams (reservoirs), with depth of occurrence ranging from 420 to 635 m, were studied. As a result of the study, first- and second-level coal seam zones were identified for methane extraction from coal seams. The parameters used to identify these zones were: depth of occurrence, permeability, and desorption of coal in a seam. At a depth of 250–300 m, gas permeability of the seams was recorded within the range of 10–15 millidarcy (mD). It was established that gas permeability decreases with increasing depth, and at a depth of 600–700 m, it amounts to hundredths and thousandths of a millidarcy. To determine the gas content of coal seams, representative samples were taken to characterize the gas content of coal seams from K20 to K1 across the entire area of the mining allotment under investigation. Sites in fault zones were not considered. They are classified as unrepresentative due to gas losses exceeding 30%. It has been established that the increase in gas content (methane content) in the Karaganda basin follows the ascending branch of a S-shaped curve and is described by the Langmuir equation. Methane resources in all host rocks have been determined based on a minimum methane content of 1 m3/t, and in claystones and siltstones with disseminated coal inclusions, based on a methane content of 4–5 m3/t of rock. At the same time, it has been established that in order to make a rough estimate of the resources, it is necessary to have data on total and effective porosity, water saturation of sandstones, and other factors. For the first time in the Karaganda coal basin, an integrated system for assessment of sites in terms of the potential of methane extraction has been implemented, incorporating more than 10 factors. Unlike previous studies, where assessments were made based on individual characteristics (depth, gas content, permeability), this paper proposes a generalized scoring method that allows for quantitative comparison of sites and prediction of methane production performance. Besides, the study novelty comprises the dependencies of Langmuir coefficients on fusinite content and temperature established in the study, which had not previously been applied to local coals. During the study, first- and second-order zones were identified in terms of methane production prospects; quantitative dependencies of gas content on depth, coal rank (stage of maturation), and petrographic composition were established; sites with the greatest commercial production potential were identified, and a methodology for the criterion-based assessment of sites was developed.

Актуальность данного исследования обусловлена тем, что в настоящее время есть необходимость восполнения потребностей энергоресурсов. Одним из перспективных вариантов стоит рассматривать добычу газа метана из нетрадиционных источников, запасы которых значительно превышают запасы традиционных месторождений. Цель: провести оценку газоносных участков и обосновать принципы рейтингования их перспективности на основе анализа геолого-технологических факторов, влияющих на процесс газовыделения из угольных пластов. Для достижения указанной цели в исследовании рассмотрен Карагандинский угольный бассейн как перспективный по добыче газа метана, разделенный на 5 участков: Тентекский, Саранский, Промышленный, Шерубайнуринский, Талдыкудукский. Исследованы наиболее газоносные пласты, имеющие глубину залегания от 420 до 635 м. В результате исследования были определены зоны угольных пластов первого и второго уровня для добычи метана из угольных пластов. Обоснованными параметрами выделения этих зон являются: глубина залегания, проницаемость и десорбция угля в пласте. На глубине 250–300 м была зафиксирована газопроницаемость пластов в пределах 10–15 мД, при этом установлено, что с увеличением глубины происходит уменьшение газопроницаемости и на уровне 600–700 м она составляет сотые и тысячные доли миллидарси. Для определения газоносности угольных пластов были отобраны представительные пробы, характеризующие газоносность углей пластов от К20 до К1 на всей площади исследуемого участка горного отвода. Не рассматривались участки в зоне геологических нарушений. Они отнесены к непредставительным из-за большей, чем 30 %, потери газа. Было установлено, что увеличение газоносности (метаноносности) в Карагандинском бассейне происходит по восходящей ветви S-образной кривой и описывается уравнением Ленгмюра. Определены ресурсы метана во всех вмещающих породах по минимальной метаноносности, равной 1 м3/т, а в аргиллитах и алевролитах с включениями рассеянного угольного вещества – со значением метаноносности 4–5 м3/т породы. При этом установлено, что для примерной оценки ресурсов необходимо иметь данные по общей и эффективной пористости, обводненности песчаников, а также другим факторам. Впервые для Карагандинского угольного бассейна реализована система интегральной оценки перспективности участков по добыче метана, включающая более 10 факторов. В отличие от предыдущих исследований, где оценка проводилась по отдельным признакам (глубина, газоносность, проницаемость), в настоящей работе предложена обобщённая балльная методика, позволяющая количественно сравнивать участки и прогнозировать эффективность метанодобычи. Также новыми являются установленные в исследовании зависимости коэффициентов Ленгмюра от содержания фюзинита и температуры, что ранее не применялось для местных углей. В ходе исследования: определены зоны первого и второго порядка по перспективности разработки метана, установлены количественные зависимости газоносности от глубины, стадии метаморфизма, петрографического состава, выявлены участки с наибольшим потенциалом промысловой добычи, разработана методика критериальной оценки участков.

угольное месторождениеугольные пластыгазметанзапасыметаноносностьгазоносностьдегазацияпроницаемостьдесорбциясорбцияиспытанияпробыэкспериментмоделированиеуравнение ЛенгмюраКазахстанКарагандинский угольный бассейнcoal depositcoal seamsgasmethanereservesmethane contentgas contentdegassingpermeabilitydesorptionsorptiontestingsamplesexperimentsimulationLangmuir equationKazakhstanKaraganda coal basinИсследование профинансировано Комитетом науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан в рамках программно-целевого финансирования по реализации научной, научно-технической программы ИРН № BR24993009.The research was funded by the Science Committee of the Ministry of Science and Higher Education of the Republic of Kazakhstan as part of targeted funding for the implementation of scientific and technical program IRN No. BR24993009.ReferencesПармузин П. Н. Зарубежный и отечественный опыт освоения ресурсов метана угольных пластов: монография. Ухта: УГТУ; 2017. 109 с.Parmuzin P. N. Foreign and domestic experience in the development of coalbed methane resources: A Monograph. Ukhta: USTU; 2017. 109 p. (In Russ.)Голицын М. В., Голицын А. М., Пронина Н. В. и др. Газоугольные бассейны России и мира. Под ред. В. Ф. Череповского. М.: МГУ им. М. В. Ломоносова, Рос. акад. естеств. наук; 2002. 249 с.Golitsyn M. V., Golitsyn A. M., Pronina N. V. et al. Gas-coal basins of Russia and the world. Ed. by V. F. Cherepovskiy. Moscow: Lomonosov Moscow State University, Russian Academy of Natural Sciences; 2002. 249 p. (In Russ.)Qin Y., Ye J. A review on development of CBM industry in China. In: AAPG Asia Pacific Region, Geoscience Technology Workshop. Opportunities and Advancements in Coal Bed Methane in the Asia Pacific. February 12–13, 2015, Brisbane, Australia. Tulsa: AAPG; 2015. p.Qin Y., Ye J. A review on development of CBM industry in China. In: AAPG Asia Pacific Region, Geoscience Technology Workshop. Opportunities and Advancements in Coal Bed Methane in the Asia Pacific. February 12–13, 2015, Brisbane, Australia. Tulsa: AAPG; 2015. p.Drizhd N. A., Kamarov R. K., Akhmatnurov D. R. et al. Coal bed methane Karaganda basin in the gas balance Republic of Kazakhstan: status and prospects. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2017;(1):12–20.Drizhd N. A., Kamarov R. K., Akhmatnurov D. R. et al. Coal bed methane Karaganda basin in the gas balance Republic of Kazakhstan: status and prospects. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2017;(1):12–20.Киряева Т. А. Оценка ресурсов метана в Кузбассе с учетом новых представлений о его состоянии в угольном пласте. Физико–технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2012;(5):67–75.Kiryaeva T. A. Evaluation of methane resources in Kuzbass in the context of new ideas on methane occurrence in coal bed. 2012;(5):67–75. Fiziko-Texhnicheskiye Problemy Razrabbotki Poleznykh Iskopaemykh. (In Russ.)Кирин Б. Ф., Журавлев В. П., Рыжих Л. И. Борьба с пылевыделением в шахтах. М.: Недра; 1983. 213 с.Kirin B. F., Zhuravlev V. P., Ryzhikh L. I. Dust control in Mines. Moscow: Nedra; 1983. 213 p. (In Russ.)Назарова Л. А., Назаров Л. А., Карчевский А. Л. Метод интерпретации данных «Canister test» для определения диффузионно–емкостных параметров угольных пластов на основе решения обратной задачи. Горный информационно–аналитический бюллетень. 2014;(3):56–68.Nazarova L. A., Nazarov L. A., Karchevsky A. L. Method of "canister test" data interpretation for determination of coal bed diffusion and capacity parameters based on inverse problem solution. Mining International and Analytical Bulletin. 2014;(3):56–68. (In Russ.)Велесевич С. В., Шек В. М. Анализ перспективности участков углегазового месторождения для добычи метана (на примере Воркутинского месторождения). Горный информационно–аналитический бюллетень. 2005;(5):132–137.Velesevich S. V., Shek V. M. Analysis of the prospects of coal-gas field areas for methane production (case study of the Vorkuta field). Mining Informational and Analytical Bulletin. 2005;(5):132–137. (In Russ.)Коряга М. Г., Сычев И. И. Методика поисков скоплений метана и выделение площадей, перспективных для его промышленной добычи, в Южном Кузбассе. Горный информационно–аналитический бюллетень. 2015;(3):380–385.Koryaga M. G., Sychev I. I. A seArch technique for detection of methane accumulation and identification of potential sites for industrial methane mining in southern Kuzbass. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2015;(3):380–385. (In Russ.)Мусин Р. А., Асанова Ж. М., Халикова Э. Р. и др. Разработка технологических критериев оценки для выбора перспективных участков добычи угольного метана. Уголь. 2024;(4):102–108. https://doi.org/10.18796/0041-5790-2024-4-102-108Musin R. A., Asanova Zh. M., Khalikova E.R. et al. Development of technological evaluation criteria for the selection of promising coal methane production sites. Ugol’. 2024;(4):102–108. (In Russ.)Гресов А. И., Обжиров А. И., Шакиров Р. Б. Метаноресурсная база угольных бассейнов Дальнего Востока России и перспективы ее промышленного освоения. Т. I. Углеметановые бассейны Приморья, Сахалина и Хабаровского края. Владивосток: Дальнаука; 2009. 247 с.Gresov A. I., Obzhirov A. I., Shakirov R. B. Methane resource base of the coal basins of the Russian Far East and prospects for its industrial development. Vol. I. Coal-methane basins of Primorye, Sakhalin and Khabarovsk Krai. Vladivostok: Dalnauka; 2009. 247 p. (In Russ.)Лу Я. Методика геологического выбора угольного месторождения для добычи метана из угольных пластов в Китае. В: Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов–2018». 10–11 апреля 2018, Москва, Россия, 2018.Lu Ya. Methodology for geological selection of coal deposits for methane extraction from coal seams in China. In: International Scientific Conference of Students, Postgraduates and Young Scientists "Lomonosov – 2018". April 10–11, 2018, Moscow, Russia, 2018. (In Russ.)Ян И., Чэнь Х., Ван Х. и др. Влияние тектонических структур на добычу метана при разработке участка QD угольного бассейна Циньшуй (Китай). Физико–технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2021;(3):85–95. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20210309Yan I., Chen H., Wang H. et al. Influence of tectonic structure on methane recovery in QD site in the Qinshui coal basin in China. Fiziko-Texhnicheskiye Problemy Razrabbotki Poleznykh Iskopaemykh. 2021;(3):85–95. (In Russ.)Рубан А. Д., Забурдяев В. С. Опыт извлечения и использования шахтного метана в России и ФРГ. Горный информационно–аналитический бюллетень. 2004;(9):153–158.Ruban A. D., Zaburyaev V. S. Experience in the extraction and utilization of mine methane in Russia and the Federal Republic of Germany. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2004;(9):153–158. (In Russ.)Забурдяев В. С. Метан угольных месторождений: ресурсы, объемы выделения, извлечения и использования. Горный вестник. 1994;(1):34–39.Zaburyaev V. S. Coalbed methane: resources, emission volumes, extraction and utilization. Gornyy Vestnik. 1994;(1):34–39. (In Russ.)Золотых С. С., Арнаутов В. С., Сурин Е. В. Из недр кузбасских кладовых – горючий газ метан. Газпром Добыча Кузнецк. Кемерово: Кузбассвузиздат; 2015. 247 с.Zolotykh S. S., Arnautov V. S., Surin E. V. From the depths of Kuzbass storerooms – combustible gas methane. Gazprom Dobycha Kuznetsk. Kemerovo: Kuzbassvuzizdat; 2015. 247 p. (In Russ.)Леготин Ф. Я., Ахметова А. Б. Анализ состояния и тенденций развития угледобывающей промышленности Карагандинской области. Известия УрГЭУ. 2012;(4):50–53.Legotin F. Ya., Akhmetova A. B. The analysis of state and trends of development of the coal mining industry in the Karaganda oblast. Journal of the Ural State University of Economics. 2012;(4):50–53. (In Russ.)Вольпова Л. С., Токарева С. Г. Об ошибке определения природной газоносности керногазонаборником КА–61. Известия вузов. Геология и разведка. 1973;(5):92–94.Volpova L. S., Tokareva S. G. On the error in determining natural gas content by the core gas sampler KA-61. Izvestiya Vuzov. Geologiya i Razvedka. 1973;(5):92–94. (In Russ.)Газоносность угольных бассейнов и месторождений СССР. Т. 2. Угольные бассейны и месторождения Сибири, Казахстана и Дальнего Востока. Под ред. А.И. Кравцова. М.: Недра; 1979. 454 с.Gas content of coal basins and deposits of the USSR. Vol. 2. Coal Basins and Deposits of Siberia, Kazakhstan and the Far East. Ed. by A. I. Kravtsov. Moscow: Nedra; 1979. 454 p. (In Russ.)Дрижд Н. А., Мусин Р. А., Александров А. Ю., Рабатулы М. Опыт бурения наклонно–направленной скважины для добычи метана угольных пластов. Горный журнал Казахстана. 2019;(12):19–23.Drizhd N. A., Musin R. A., Aleksandrov A. Yu., Rabatuly M. Experience in drilling a directional well for coalbed methane production. Gornyy Zhurnal Kazakhstana. 2019;(12):19–23. (In Russ.)Пащенков П. Н. Способ определения параметров изотермы сорбции Ленгмюра и газопроницаемости дисперсных фракций угля. Горный информационно–аналитический бюллетень. 2018;(3):120–128. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2018-3-0-120-128Pashchenkov P. N. Method to determine parameters of Langmuir isotherm and gas permeability of dispersed coal particles. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2018;(3):120–128. (In Russ.)Сластунов С. В. Проблемы добычи угольного метана и перспективные технологические решения. Горный информационно–аналитический бюллетень. 1997;(6):25–31.Slastunov S. V. Problems of coal methane production and promising technological solutions. Mining Informational and Analytical Bulletin. 1997;(6):25–31. (In Russ.)Шубина Е. А., Лукьянов В. Г. Изучение природной газоносности с целью развития добычи метана из угольных пластов в промышленных масштабах. Вестник КузГТУ. 2016;(1):3–12.Shubina E. A., Lukyanov V. G. Study of natural gas content for the development of coal seam methane production on an industrial scale. Vestnik KuzGTU. 2016;(1):3–12. (In Russ.)Дрижд Н. А., Рабатулы М., Александров А. Ю. и др. Результаты освоения опытно–промышленных скважин на Шерубайнуринском участке Карагандинского угольного бассейна. Уголь. 2020;(6):36–40. https://doi.org/10.18796/0041-5790-2020-6-36-40Drizhd N. A., Rabatuly M., Aleksandrov A. Yu. et al. The results of the development of pilot wells in the Sherubainurinsky site of the Karaganda coal basin. Ugol’. 2020;(6):36–40. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.