Причины метанопроявлений в подмосковном угольном бассейне

_Промышленная безопасность_

УДК 622:550

ПРИЧИНЫ МЕТАНОПРОЯВЛЕНИЙ В ПОДМОСКОВНОМ УГОЛЬНОМ БАССЕЙНЕ

Е.И. Захаров, И.М. Лавит, П.Н. Чеботарев

Содержание метана в угольных пластах, глинах, в пропластках угля незначительно и колеблется в пределах 0,012...0,020 м /т. Основным источником выделения метана в рудничную атмосферу являются старые выработанные пространства. Основной причиной образования метана в шахтах Подмосковного бассейна является биохимическая деятельность метанобразующих бактерий. Установлено, что для жизнедеятельности метанобразующих бактерий необходимы следующие условия: концентрация кислорода - не более 9.12 %; наличие органики; соответствующая кислотность вод - 6-7; температура от 7 до 20 оС.

Ключевые слова: метан, угольный пласт, вмещающие породы, выработанные пространства, метанобразующие бактерии.

Подмосковный бассейн расположен на территории Тульской, Калужской, Рязанской, Московской, Тверской, Новгородской и др. областей Центра России. В тектоническом отношении бассейн представляет собой окраину Московской синеклизы, заполненной осадками палеозойского возраста. В геологическом строении бассейна выше пород кристаллического фундамента представлены породы протерозоя, кембрия, девона, карбона, юры, мела, неогена и четвертичного времени. Комплекс отложений девона представлен на территории бассейна повсеместно. То же самое относится к породам каменноугольного периода. Самым нижним элементом каменноугольного комплекса является малевский горизонт, мощностью до 15 м, встречающийся повсеместно и сложенный известняками и глинами. Известняки и доломиты девона вместе с малевско-упинскими известняками образуют фундамент для вышележащих угленосных отложений. Колебания отметок кровли этого фундамента достигает 70 м. В основании обычно залегают мелкозернистые пески, выше главный углисто-глинистый комплекс, включающий в себя основной пласт угля. Затем четко выделяется зона развития надугольных песков, а еще выше - верхний углисто-глинистый комплекс.

Таким образом, угленосные отложения представляют собой пески и глины, включающие пласты бурого угля. В основной толще залегает рабочий пласт мощностью от 2 до 6 м, а выше и ниже его - несколько пластов меньшей мощности (менее 1,4 м). В плане залежи имеют вид отдельных линз неправильной формы, контуры которых сильно изрезаны. Помимо прерывистого залегания, переменной мощности и сложной конфигурации, месторождения характеризуются неустойчивостью вмещающих уголь по-

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 3_

род, обводненностью, наличием карста, непостоянством качества угля даже в пределах залежи. К благоприятным факторам относят неглубокое горизонтальное залегание, достаточно большая мощность угольных пластов и отсутствие метана.

Помимо угля, на территории бассейна были разведаны месторождения каменной соли, гипса, бурого железняка, карбонатных пород, фосфоритов, песков и глин, различного качества и свойств, песчано-гравийных смесей, торфа, минеральных вод, на базе которых действовали и продолжают работать многочисленные горнодобывающие и перерабатывающие предприятия.

Отложения огнеупорных глин Боровичского месторождения относятся к нижнему карбону, залегающему на размытой поверхности верхнего девона, и представлены визейским ярусом, в состав которого входят тульский, алексинский, михайловский и виневский горизонты. В кровле пласта огнеупорных глин залегают отложения угля и зауглероженных глин.

Отличительной особенностью Боровичского месторождения огнеупорных глин является неглубокое залегание от дневной поверхности, в связи с чем образовавшиеся в процессе метаморфизма газы почти полностью мигрировали в атмосферу Земли и содержание их в пласте, так же как и в угольных, ничтожно мало. Поэтому шахты, разрабатывающие месторождения угля и огнеупорных глин в бассейне считали неопасными по газу (метану), что подтверждено исследованиями (1, 2, 3): содержание метана выделяющегося из угольных пластов составляет 0,2-0,7 %, а выделение метана в рудничную атмосферу столь ничтожно, что практически не представлялось возможным. Однако в 50 и 60 годах прошлого столетия произошли взрывы метано-воздушных смесей с летальным исходом. Впервые выделение метана в шахтную атмосферу действующих подземных выработок Боровичского месторождения огнеупорных глин произошло в 1947 г., когда на шахте № 2 им. Артема произошел взрыв метано-воздушной смеси с трагическим исходом. Вторично присутствие метана, во взрывоопасных концентрациях был обнаружен в 1956 г. на этой же шахте, причем метан выделялся из щелей бетонной крепи выработки, расположенной на месте машинной камеры бесконечной откатки. В январе 1968 г. на шахте № 2 им. Артема произошел взрыв метано-воздушной смеси, в результате которой были тяжело травмированы двое шахтеров. Аналогичные случаи происходили и на угольных шахтах. Так на шахте 1/3 «Липковская» зарегистрирован несчастный случай в результате горения метана, а на шахте № 43 треста «Донскойуголь» 5 февраля 1965 г., при подходе лавы к водопонизи-тельной скважине возникла необходимость в ее вскрытии. После прожога сваркой отверстия в нижней части обсадной трубы из скважины вырвалось

_Промышленная безопасность_

пламя, горение которого продолжалось около двух минут. Анализ проб, взятых из скважины, показал наличие метана в концентрации 70-94 %, и только через двое суток снизилось до 2,4 %.

Возникла необходимость систематического контроля. Согласно данным анализа плановых проб рудничного воздуха в 1961-67 гг. на шахте № 2 им. Артема отмечено более 850 случаев присутствия метана в горных выработках и за перемычками в концентрациях метана доходящих в отдельных случаях до 22,3 %, а в 41 случае присутствие метана регистрировалось в воздухе действующих выработок в концентрациях от 0,1 % до 12 % при проведении горных работ вблизи старых отработанных участков или при вскрытии последних.

На угольных шахтах комбайна «Тулауголь» в течение 1960 - 65 гг. в плановых пробах газа, взятого за перемычками, свыше 9000 раз был обнаружен метан. В 1965 г. метан был обнаружен за перемычками 70 шахт комбайна, причем в концентрациях свыше 5 % 51 раз на 12 шахтах. Возникла необходимость изучения механизма метанопроявлений при ведении горных работ и в первую очередь механизма образования метана.

Целью исследований [4,5] являлись вопросы выявления и изучения источников появления метана в шахтах Подмосковного бассейна, а именно:

- исследование газоносности угольных пластов, сухарных глин и вмещающих пород;

- исследование биохимических факторов метанообразования;

- исследование подземных вод в отношении их влияния на метано-образование и метановыделение.

Для определения количественного содержания метана в угольных пластах и вмещающих породах было отобрано 16 проб с последующей их дегазацией в лабораторных условиях. Образцы для дегазации отбирались у груды забоя с глубины 2 ... 2,5 м, путем взятия кернов герметизированными кернонаборниками. Помимо отбора и анализа проб сухарных глин и вмещающих пород из глубины массива подвергались анализу 18 проб све-жеотбитой сухарной глины, угля и зауглероженных глин в лавах и забоях подготовительных выработок, причем для анализа использовались различные фракции (в виде штыба, мелких и крупных кусков). В лаборатории определялся суммарный объем свободного и сорбированного газа. Результаты дегазации образцов и кернов, взятых с различных участков шахтного поля, показала, что метан обнаружен только в пробах угля и зауглерожен-ных глин и его количество очень мало. Произведенные расчеты показывают, что при полной дегазации угольного пласта и углистых глин концентрация метана в атмосфере горных выработок будет незначительной, и его содержание на исходящей из лавы струе не будет превышать сотых долей процента, даже при выделении всего метана (свободного и сорбированно-

111

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 3_

го) в рабочее пространство лавы. Фактически при проведении газовых съемок на обследуемых шахтах ни при одном замере в лавах и забоях, проветриваемых деятельной струей воздуха, присутствие метана не обнаружено. Кроме дегазации кернов и образцов угля и других пород, в лабораторных условиях для определения газоносности угля и пород был проведен анализ газов в пробах воздуха, отобранных из шпуров, пробуренных в массив полезного ископаемого и вмещающие породы на глубину 3-3,5 м в сторону вынимаемого массива, выработанного пространства, а также в кровлю и почву пласта. Всего было отобрано из угольных пластов и углистых глин 60 проб, из сухарных глин - 80 проб, из других вмещающих пород - 48 проб. Результаты газового анализа показали полное отсутствие метана в пробах воздуха из шпуров.

Были проведены исследования шахтных вод как одного из источников выделения метана в рудничную атмосферу. Анализу на содержание метана были подвергнуты шахтные воды различных режимов: застойные, истекающие из выработанных пространств, истекающие из фильтров, протекающие по почве выработок. В большинстве проб шахтных вод отмечено присутствие метана в концентрациях, в значительной степени превышающих содержание метана в углях, сухарных глинах и вмещающих породах.

Результаты анализа фиксируют, что воды, вытекающие из выработанных пространств, застойные воды, а также воды, истекающие из фильтров, пробуренных у старых отработанных участков, содержат метан во много раз больше, чем воды, протекающие по почве выработок или истекающие из фильтров, расположенных в нарезных выработках неотработанных полей. Максимальная концентрация метана отмечена в пробах воды, взятых из забивных фильтров, установленных на водоносный горизонт надполусухарных песков, имеющий непосредственную связь с затопленными выработанными пространствами.

В пробах газа, взятого из шлама, со дна застойных водоемов, содержание газа достигало 30 ... 36 %. Кроме того, был производен бактериологический анализ взятых проб угля, пород и шахтных вод для изучения их влияния на процессы метанообразования. Анализ полученных результатов позволяет отметить следующее.

1. Метанобразующие бактерии обнаружены в 13 пробах их 20. Это пробы, отобранные преимущественно в выработанном пространстве (4 пробы), в шламе со дна водоемов (3 пробы), в застойных водах и водах, вытекающих из выработанных пространств (3 пробы). Ранее отмечено присутствие метанообразующих бактерий в пласте сухарных глин и вмещающих породах. Отрицательные результаты на содержание метанобра-зующих бактерий показали пробы, отобранные в действующих выработках (лавы и штреки), а также из верхних водоносных горизонтов. Результаты

112

_Промышленная безопасность_

проведенного исследования указывают на широкое распространение мета-нобразующих бактерий в условиях шахты. В подавляющем большинстве случаев обнаружена группа бактерий, образующих метан за счет сбраживания водорода и углекислоты в метан. Установлено, что для жизнедеятельности метанобразующих бактерий необходимы следующие условия: наличие питательной среды (органических веществ) небольшая концентрация кислорода (не более 10...12 % по объему), соответствующая кислотность вод (6...7 рН) и температура 7...30 оС. Эти условия соответствуют условиям, существующим в выработанных пространствах шахт Боро-вичского комбината огнеупоров.

Образованию и накоплению метана в выработанных пространствах шахт способствуют горнотехнические и горно-геологические условия:

а) наличие большого количества органических остатков (древесины) в выработанном пространстве. Применяемые в настоящее время система разработки и способ управления кровлей обуславливают оставление большого количества деревянной крепи в выработанном пространстве;

б) наличие в покрывающей толще пластов глин и глинистых сланцев, способствующих накоплению в выработанном пространстве метана до значительных концентраций;

в) значительная водообильность шахт, создающая благоприятные анаэробные условия для метанобразующих биохимических процессов;

г) наличие большой площади старых отработанных пространств, соприкасающихся с действующими участками и выработками.

Чтобы доказать возможность процесса метанового брожения, были поставлены опыты в лабораторных условиях, при этом в качестве исходного материала брались образцы сухарных глин, угля, шлама, древесины и шахтных вод с исследуемых шахт. Образцы воды, шлама, древесины, угля и глины герметизировались в стеклянном сосуде и инкубировались в термостате (при температуре 28...29о) в течение 6 месяцев. В тех случаях если были соблюдены условия, в которых метановое брожение может протекать, обнаружен метан в пробах воздуха, отобранного из сосудов. Высокое содержание метана (до 14 %) отмечено в пробах воздуха из сосудов, где питательным материалом являлись: древесина крепи, шлама и шахтные воды. Необходимо отметить, что в тех случаях, когда исходный материал смешивается со шламом из застойных вод, процесс метанового брожения протекает интенсивнее и начинается значительно раньше. Это можно объяснить тем, что содержание метанобразующих бактерий в шламе выше и в застойных водах наблюдается установившийся процесс метанового брожения. Результаты проведенных исследований дают основание утверждать, что метан в условиях исследуемых шахт в основном образуется за счет биохимических метанобразующих процессов в анаэробных условиях выработанных пространств.

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 3_

Результаты исследований позволили сделать следующие основные выводы.

1. Содержание метана в угольных пластах, сухарных глинах, в про-пластках угля незначительно и колеблется в пределах 0,012...0,020 м /т. В пробах газовых смесей, взятых из шпуров, пробуренных в угольный пласт, в пласты сухарных глин присутствие метана не обнаружено (не зафиксировано).

2. Основным источником метана в рудничную атмосферу являются старые выработанные пространства (имеющие срок существования более года), концентрация метана в которых достигает 70...80 % по объему.

3. Вынос метана из выработанных пространств в рудничную атмосферу осуществляется в основном истекающими из них водами.

4. Основной причиной образования метана в шахтах бассейна является биохимическая деятельность метанобразующих бактерий. Установлено, что для жизнедеятельности метанобразующих бактерий необходимы следующие условия: концентрация кислорода - не более 9...12 % по объему; наличие питательной среды - органики; соответствующая кислотность вод - 6...7 рН; температура от 7 до 20 оС.

5. Установлено, что в выработанных пространств шахт бассейна температура в пределах 10...12 оС; концентрация кислорода не превышает 12 % по объему, кислотность шахтных вод - 6,4...7,2 рН, т.е. условия являются благоприятными.

6. Образованию и накоплению метана в выработанном пространстве шахт способствуют горно-геологические и горнотехнические условия, а именно:

- наличие больших объемов выработанных пространств, подтопленных шахтными водами;

- наличие в выработанных пространствах органика, в том числе древесина, угля, углистых глин и т.д.;

- наличие в покрывающей толще горных пород мощных пластов глин, глинистых сланцев, препятствующих свободной миграции метана на дневную поверхность и способствующих накоплению метана до значительных концентраций.

Список литературы

1. Коварский Д.И. Вопросы газового режима в рудниках Подмосковного бассейна. М.: Государственное научно-техническое изд-во, 1932.

2. Коварский Д.И. Физико-химические характеристики рудничной атмосферы в шахтах Подмосковного буроугольного бассейна // Безопасность труда в горной промышленности, 1933. № 7.

114

_Промышленная безопасность_

3. Коварский Д.И., Слободкин Л.С. Рудничная атмосфера и газоактивность шахт Подмосковного угольного бассейна // Уголь. 1935. № 5.

4. Отчет НИР «Исследование метановыделений в шахтах Подмосковного бассейна и разработка мероприятий по борьбе с ними, ТулПИ. Тула, 1968.

5. Отчет НИР «Исследование метановыделений в шахтах Борович-ского комбината огнеупоров и разработка рекомендаций по безопасному ведению горных работ». Тема № 872 / ТулПИ. Тула, 1971.

Захаров Евгений Иванович, д-р техн. наук, проф., nshasps. tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Лавит Игорь Михайлович, д-р техн. наук, проф., nivas57a mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Чеботарев Павел Николаевич, канд. техн. наук, ассист., ecologyatsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

REASONS METHANE SHOWS IN MOSCOW COAL BASIN E.I. Zoharov, I.M. Lavit, P.N. Chehotarev

Content of methane in cola heds, clays and coal interlayer are insignificant and are equal to 0,012.0,020 m /t. Basic sources of methane emission into mining atmosphere are old gohs. Basic reason of methane appearance in mines of Moscow Coal Basin is biochemical activity of a methane-oxidyzing bacterium. It's proved that for vital activity of the methane-oxidyzing bacterium conditions must he follow: oxygen concentration is 9.12 %; availability of organic matter; underground water acidity is 6...7; temperature is 7.20 оС.

Key words: methane, coal hed, enclosing strata, gohs, methane-oxidyzing hacterium.

Zakharov Evgeni Ivanovich, doctor of science, Full Professor, nsha sps. tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Lavit Igor Mihailovich, doctor of science, docent, nivas5 7amail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Chehotarev Pavel Nikolaevich, candidate of science, assistant, ecologyatsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University

Reference

1. Kovarskij D.I. Voprosy gazovogo rezhima v rudnikah Pod-moskovnogo bassejna. Gosudarstvennoe nauchno-tehnicheskoe izd-vo, 1932.

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 3_

2. Kovarskij D.I. Fiziko-himicheskie harakteristiki rudnich-noj atmosfery v shahtah Podmoskovnogo burougol'nogo bassejna «Bez-opasnost' truda v gornoj promyshlennosti», 1933. № 7.

3. Kovarskij D.I., Slobodkin L.S. Rudnichnaja atmosfera i gazo-aktivnost' shaht Podmoskovnogo ugol'nogo bassejna. Ugol', 1935. № 5.

4. Otchet NIR «Issledovanie metanovydelenij v shahtah Pod-moskovnogo bassejna i razrabotka meroprijatij po bor'be s nami, Tul-PI. 1968.

5. Otchet NIR «Issledovanie metanovydelenij v shahtah Boro-vichskogo kombinata ogneuporov i razrabotka rekomendacij po bez-opasnomu vedeniju gornyh rabot». Tema № 872, TulPI. 1971.