Причины зарождения и развития газодинамических явлений в угольных шахтах

IV. ПРОБЛЕМЫ И СУЖДЕНИЯ PROBLEMS AND OPINIONS

В. А. Скрицкий

д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник Института горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН

A. В. Сурков

д-р техн. наук, проф., ведущий научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»

B. В. Соболев

д-р техн. наук, заместитель генерального директора ОАО «НЦ ВостНИИ»

УДК 622. 831. 322. 001

ПРИЧИНЫ ЗАРОЖДЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Представлен анализ публикаций, по результатам которого разработана гипотеза, объясняющая механизмы зарождения и развития в краевой части угольных пластов очагов саморазрушения угля, которые проявляются внезапными выбросами угля и газа либо суфлярными выделениями метана.

Ключевые слова: УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ, ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ НАРУШЕНИЕ, МЕТАН,

КРИСТАЛЛОГИДРАТ, ДИССОЦИАЦИЯ, ЗОНАЛЬНАЯ ДЕЗИНТЕГРАЦИЯ, МЕХАНОДЕСТРУКЦИЯ УГЛЯ, ВНЕЗАПНЫЕ ВЫБРОСЫ, СУФЛЯРЫ

Несмотря на то, что при горных ударах иногда наблюдается повышение газо-выделения из разрушенного углепородного массива, они являются геодинами-ческими, а не газодинамическими явлениями. Поэтому к газодинамическим явлениям, происходящим в угольных шахтах, следует относить лишь суфлярные выделения метана и внезапные выбросы угля и газа.

При суфлярных выделениях концентрация метана в атмосфере горных выработок может увеличиться до высоких значений на большом протяжении. Это представляет реальную угрозу для жизни и здоровья людей как из-за снижения концентрации кислорода в рудничной атмосфере, так и из-за образования в ней взрывоопасной концентрации метана. Причем дебит метана, выделяющегося из суфляра до его истощения, может достигать десятков и сотен тысяч кубических метров и более.

Наиболее опасными по тяжести последствий, обусловленных газодинамическими явлениями, являются внезапные выбросы угля и газа (далее внезапные выбросы). Повышенная

научно-технический журнал № 2-2013

102 ВЕСТНИК

опасность внезапных выбросов заключается в том, что при их возникновении изнутри краевой части пласта в горную выработку под большим давлением происходит высоконапорное истечение (подобно жидкости) подвижной углегазовой смеси, состоящей из взвеси в газообразном метане разрушенного и перемятого угля. При этом давление метана в этой подвижной газонаполненной системе значительно превышает не только геостатическое, но и опорное горное давление. В результате не только в горной выработке, в которую произошел внезапный выброс, но и в атмосфере прилегающих к ней выработок воздух замещается метаном. Кроме того, сама выработка, в которую произошел внезапный выброс, зачастую на большом протяжении почти полностью оказывается заполненной разрыхленными массами угля. Количество угля, выброшенного в горные выработки, колеблется в широких пределах - от нескольких тонн до тысяч тонн. К тому же из данных о внезапных выбросах, произошедших на шахтах различных стран [1], следует, что на каждую тонну выброшенного угля приходилось от 70 до 270 м3 выделившего-

ся метана. Характерная особенность внезапных выбросов и суфляров заключается также в том, что они возникают в зонах с геологическими нарушениями пластов и протекают с аномально высоким выделением метана. И это при том, что метанообильность угля отрабатываемых пластов, на которых происходили и происходят газодинамические явления, обычно не превышает 12-15 м3 метана на каждую тонну добываемого угля [1].

Для объяснения механизма образования в зонах геологических нарушений пластов больших объемов метана под большим давлением выдвигались различные концепции. Они сводились к тому, что в результате перераспределения горного давления газовый коллектор, находящийся в зоне геологического нарушения пласта, разрушается, а метан, содержащийся в нем под давлением, расширяется и совершает работу по разрушению призабойной части пласта и выносу из геологического нарушения разрыхленного угля в горную выработку [2]. Подобное объяснение опасного и, как правило, непредсказуемого явления не противоречит фундаментальным законам физики и геомеханики, но не дает ответа на вопрос, в результате каких процессов в зонах геологических нарушений пластов образуется повышенное количество метана под давлением, значительно превышающим геостатическое. Выдвигались различные теории, в том числе и о якобы существующем в природе «твердом углегазовом растворе» (ТУГР). Тем не менее, не было найдено достаточно убедительного объяснения возникновения в зонах геологических нарушений пластов больших объемов газообразного метана, давление которого значительно превышало бы гео-статическое [2, 3].

Единственно возможным источником выделения значительного количества метана и

при этом развивающим в угольном пласте давление газа, многократно превышающее геоста-тическое, могут быть только кристаллогидраты метана. Уникальное свойство гидратов метана заключается в том, что одним объемом воды при образовании гидрата метана связывается до 207 объемов метана, при этом в 1 м3 твердого гидрата метана на долю газа приходится 0,2 м3, а на воду - 0,8 м3. А при диссоциации 1 м3 гидрата метана из него образуется 170 м3 газообразного метана (при атмосферном давлении) и 0,927 м3 воды в жидком виде. В связи с этим нельзя упускать из виду, что при диссоциации 1 м3 гидрата метана в замкнутом объеме, равном 1 м3, давление, развиваемое газообразным метаном, достигает 232,9 МПа (2447 кг/см2) [4].

Возможность существования природных газов в земной коре в виде реликтовых включений кристаллогидратов является установленным фактом [4-6]. К тому же предположение о том, что во внезапных выбросах угля и газа в шахтах может принимать участие метан, находящийся в пластах в виде кристаллогидратов (далее гидрат метана), еще в 1973 г. было высказано Ю. Ф. Макогоном и И. Ф. Морозовым [7]. В последние годы в работах многих исследователей вновь стали высказываться предположения о том, что внезапные выбросы угля и газа происходят под действием газа, образовавшегося при диссоциации гидратов метана в краевых зонах пласта [8-10]. Если исходить из этих предположений, то по количеству метана, выделившегося при выбросе, можно определить необходимый для этого объем гидратов метана. Значит, можно определить и количество воды, которое должно было бы выделиться при диссоциации соответствующих объемов гидратов метана. Такие расчеты, выполненные для случаев внезапных выбросов, произошедших в шахтах разных стран [1], представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты расчета объемов гидрата метана для реализации внезапных выбросов

Страна Шахта Кол-во выброшенного угля, Объем выделив- шегося метана, м3 Объем метана на 1 т выброшенного угля, м3/т Объем гидрата метана в твердом виде, м3 Объем Н2О из гидрата метана, м3

т м3

Австралия Коллинсвил 800 571 140 000 175 823 763

Польша Нова Руда 3000 2143 820 000 273 5882 4480

Турция Козлу 1100 786 110 000 100 647 600

Франция Фонтэн 5 600 4 000 100 000 178 588 545

Япония Юбари Шин 4 000 2857 600 000 150 3529 3272

Россия Северная 90 64 8 500 94 50 46

Как видно из таблицы 1, во всех рассматриваемых случаях объем воды, выделившейся при диссоциации гидратов метана, зачастую должен быть равен объему выброшенного угля, а порой даже и превышать. Если бы вода действительно в таких количествах выделялась при внезапных выбросах, то влажность выброшенного угля должна была существенно повышаться. Кроме того, в горной выработке, в которую произошел внезапный выброс, должны были обнаруживаться следы воды и даже лужи. Однако этого при внезапных выбросах не наблюдается. Следовательно, тезис о том, что внезапные выбросы обусловлены преимущественно метаном, выделившимся из кристаллогидратов при их диссоциации, не убедительны.

Впервые Р. Л. Мюллером [11] было установлено, что в процессе механодеструкции угля наблюдается механохимический эффект, при котором происходит разложение угля с образованием метана. Лабораторными исследованиями в ННЦ ГП-ИГД им. А. А. Скочинского и в ФГБУН ИПКОН РАН было установлено, что в результате механохимического эффекта объемы метана, образующиеся из каждой тонны разрушаемого угля, могут достигать 40...50 м3 и более [12]. Однако следует отметить, что механохимический эффект, при котором происходит разложение угля с образованием метана, наблюдается лишь при разрушении угля со сдвигом в условиях неравно-компонентного сжатия под давлением более 50 МПа [13, 14]. Поэтому зарождение лавинообразного процесса саморазрушения угля и развитие его до внезапного выброса невозможно объяснить наличием метана, образующимся при механохимическом разложении угля. Это подтверждается тем, что в большинстве случаев при подходе горных работ к геологическим нарушениям пластов и при их переходе газодинамических явлений не происходит.

Из изложенного выше следует, что механизм зарождения и развития в краевой части пласта процессов, завершающихся газодинамическими явлениями, не может быть объяснен только одним из рассмотренных факторов - диссоциацией гидратов метана [7, 8-10] или механо-химическим эффектом разложения угля при его разрушении [11, 12-14]. На основании выполненного анализа сформулирована гипотеза, которой объясняется механизм зарождения и развития в краевых частях пластов процессов, завершающихся газодинамическими явлениями в шахтах. В массиве горных пород с глубины 150.200 м с учетом температуры пород и геостатического давления сохраняются условия для существования

научно-технический журнал № 2-2013

104 ВЕСТНИК

гидрата метана в метастабильном состоянии. В ненарушенных частях пластов из-за отсутствия пустот и зазоров между угольными пачками гидраты метана могут присутствовать в них как отдельные точечные и рассредоточенные мелкие вкрапления. А в зонах, где в результате геотектонических процессов происходили масштабные деформации (образование геологических нарушений пластов), возникавшие между угольными слоями и перемятыми пачками, пустоты и зазоры могли заполняться локальными концентрированными скоплениями гидратов метана.

При ведении горных работ такие нарушенные участки пласта с находящимися в них прослойками скоплений гидрата метана оказываются в зоне влияния горных работ. В зоне опорного давления происходит разрушение угля с преодолением сил трения, в результате чего температура его повышается на 5.25° в зависимости от величины опорного давления [15]. Кроме того, в соответствии с явлением зональной дезинтеграции горных пород в зоне влияния на массив опорного давления образуются несколько нагруженных и разгруженных от горного давления зон, которые по мере подвигания забоя перемещаются [16]. Поэтому в краевой части пласта практически одновременно образуются разгруженные от горного давления зоны, в которых температура угля повышается. Когда локальные скопления кристаллогидрата оказываются в зоне разупрочнения, обусловленной зональной дезинтеграцией массива [16], происходит его диссоциация на воду и газообразный метан. А так как диссоциация кристаллогидрата происходит в замкнутом объеме, то давление, развиваемое выделившимся из него газообразным метаном, превысит гео-статическое на 232,9 МПа (2447 кг/см2) [5, 6].

На термобарической кривой гидрата метана, представленной на рисунке 1 [5], показано, как в результате изменения температуры угля и давления в краевой части пласта гидрат метана, находящийся в метастабильном состоянии (точка А), оказывается в условиях, при которых сохранение гидратов метана в метастабильном состоянии невозможно (точка Б).

Так как диссоциация гидратов метана (в точке Б) происходит внутри краевой части пласта, то она протекает в условиях, приближенных к условиям протекания этого процесса в изолированном объеме. При диссоциации гидрата метана большая часть ранее занимаемого им объема в пространстве между отдельными угольными пачками будет заполнена водой, на которую под давлением более 230 МПа будет воздействовать выделившийся газообразный метан из газогидрата [5].

Рисунок 1 - Термобарическая кривая фазовых состояний гидрата метана

Так как вода не сжимаема, то в зоне, в которой произошла диссоциация гидратов метана, возникнут многочисленные и разнонаправленные гидравлические удары, перемалывающие прослойки угля, в том числе в тонкодисперсную пыль. По сути образование угольной пыли в зоне диссоциации гидрата метана представляет собой процесс гидродинамического разрушения угля под большим давлением, при котором диспергирование угля в соответствии с механохимическим эффектом сопровождается образованием из угля новых (дополнительных) объемов газообразного метана. Схема разрушения в краевой части пласта угольных прослоев под действием гидравлических ударов представлена на рисунке 2.

Под воздействием давления метана, выделившегося при диссоциации гидрата метана, сдвижение и разрушение угля внутри краевой части пласта распространяется по геологическому нарушению, в том числе и тому, где отсутствовали концентрированные скопления гидрата метана. Образующаяся в больших количествах угольная пыль, попадая в пространство между отдельными кусками и частицами угля, не только исполняет роль смазки, но и интенсифицирует выделение дополнительных объемов метана из частиц угля в процессе их разрушения при взаимном истирании. Таким образом, в замкнутом объеме краевой части массива (с геологическим нарушением пласта) процесс разрушения углепородного массива развивается по закону цепной реакции, превращаясь в лавинообразное саморазрушение, которое, распространяясь по геологическому нарушению, может достигать значительных размеров. В результате возникает подвижная газонаполненная система из разрушающегося угля, который более чем на 50 % состоит из угольной пыли («бешеная мука») и угольных частиц крупностью менее 3 мм (таблица 2 [17]). Давление метана в этой газонаполненной системе на 100-150 МПа и более превышает геостатическое.

в~п - метан, выделившимся из гидрата при его диссоциации —; - вода, выделившаяся из гидрэта метана при его диссоциации

Рисунок 2 - Образование угольной пыли в результате разрушения гидравлическими ударами угольных пропластков в геологических нарушениях при диссоциации гидратов метана

Таблица 2 - Гранулометрический состав угля в выработке после внезапного выброса

Размер частиц угля, мм 100 50 25 13 6 3 1 0,5 и менее

Содержание, % 0,7 6,3 7,3 10,7 20,5 11,2 26,4 16,9

Такая взвесь угольной пыли и мелких частиц угля в метане становится подвижной, приобретая свойства жидкости. Образовавшаяся подвижная углегазовая смесь в краевой части пласта, изнутри воздействуя с большой силой на забой вскрывающей выработки, выталкивает из него наименее прочную угольную пачку. Следом за этой «пробкой» через образовавшееся «горлышко» в выработку из краевой части горного массива происходит высоконапорное истечение (как жидкости) подвижной углегазовой смеси. Именно такое высоконапорное истечение подвижной углегазовой смеси из краевой части пласта в горную выработку именуется внезапным выбросом угля и газа.

Если локальное скопление реликтовых кристаллогидратов метана, оказавшихся в зоне влияния горных работ, находится выше или на уровне проводимой горной выработки (рисунок 3), то процесс формирования и развития в краевой части массива зоны лавинообразного разрушения углепородного массива завершается внезапным выбросом угля и газа [4]. Если же локальное скопление реликтовых кристаллогидратов метана в зоне геологического наруше-

1 - горная выработка; 2 - угольный пласт;

3 - местонахождение локальных скоплений реликтовых кристаллогидратов метана до их диссоциации;

4 - развивающаяся зона лавинообразного разрушения; 5 - «горловина», через которую происходит высоконапорное истечение подвижной углегазовой взвеси

Рисунок 3 - Схема формирования и развития в краевой части углепородного массива очага лавинообразного разрушения угля, завершающегося внезапным выбросом угля и газа

ния пласта находится на геодезической отметке ниже ведения горных работ, то так же, как и в описанном выше случае, происходит диссоциация кристаллогидратов. Но так как поверхность, разгруженная от горного давления (почва горной выработки), находится выше возникшего очага разрушения углепородного массива, то при появлении трещины в почве выработки через нее будет выделяться метан, образовавшийся при диссоциации кристаллогидратов. Это обусловлено тем, что выделившийся из кристаллогидратов газообразный метан будет находиться преимущественно в верхней части зоны лавинообразного разрушения угля. Для наглядности на рисунках 4а и 4б представлен механизм возникновения суфлярных выделений метана в горных выработках угольных шахт.

1 - горная выработка; 2 - угольный пласт;

3 - локальное реликтовое скопление кристаллогидрата метана, сохранившееся в зоне геологического нарушения пласта;

4 - очаг лавинообразного разрушения угля, инициированный метаном, выделившимся из кристаллогидратов при их диссоциации

(см. рисунок 46);

5 - трещина, через которую под давлением из зоны диссоциации кристаллогидратов

выделяется метан с водой;

6 - вспучившаяся и растрескавшаяся почва

горной выработки;

7 - метан и вода, выделяющиеся в горную выработку из зоны диссоциации кристаллогидратов

Рисунок 4а - Схема возникновения суфлярного выделения метана при вскрытии угольного пласта в зоне геологического нарушения с сохранившимися в нем реликтовыми локальными скоплениями кристаллогидратов метана

Рисунок 4б (см. поз. 4 рисунка 4а) -Очаг лавинообразного разрушения угля, возникший в результате диссоциации реликтовых кристаллогидратов метана, локальное скопление которых в метастабильном состоянии находилось в зоне геологического нарушения пласта ниже выработки, вскрывающей угольный пласт

Так как метан и вода, выделившиеся при диссоциации кристаллогидратов, оказываются в верхней части возникшей зоны лавинообразного разрушения угля, то именно поэтому во многих случаях при суфлярах наблюдается незначительное выделение воды.

В настоящее время не представляется возможным определить критический объем

локальных скоплений гидрата метана в зонах геологических нарушений, достаточный для запуска процесса саморазрушения изначально нарушенного угольного пласта, однако изложенные результаты анализа позволяют сделать следующие выводы:

1. Газодинамические явления, происходящие в шахтах, приурочены к зонам геологических нарушений пластов, в которых до наших дней сохранились в метастабильном состоянии локальные скопления реликтовых кристаллогидратов метана.

2. Давление метана, выделившегося при диссоциации кристаллогидрата, превышает гео-статическое на 150-200 МПа. Под таким давлением в геологическом нарушении пласта с изначально разупрочненным углем зарождается процесс разрушения угля, который вследствие выделения метана при механохимическом разложении угля перерастает в лавинообразное саморазрушение, которое может проявиться суфляром или внезапным выбросом угля и газа.

3. Для предотвращения в шахтах газодинамических явлений, протекающих с непредсказуемыми последствиями, необходимо проводить специальные геофизические исследования шахтных полей с целью выявления в зонах геологических нарушений пластов локальных скоплений кристаллогидратов. При обнаружении таковых заблаговременно (до подхода горных работ) могут приниматься меры для их диссоциации.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК

1. Скочинский, А. А. Горная наука и борьба с внезапными выбросами угля и газа на шахтах / А. А. Скочинский, В. В. Ходот. - М.: Углетехиздат, 1957. - 42 с.

2. Бобров, В. И. Борьба с внезапными выбросами угля и газа / В. И. Бобров, В. И. Кричевский. -Киев: Техника, 1964. - 286 с.

3. Николин, В. Н. Выбросы породы и газа / В. Н. Николин, С. С. Меликсетов, И. М. Беркович. - М.: Недра, 1967. - 81 с.

4. Открытие № 75 СССР. Свойство природных газов находиться в твердом состоянии в земной коре / Н. В. Черский, Ф. А. Требин, Ю. Ф. Макогон, В. Г. Васильев, А. А. Трофимук // Государственный реестр открытий СССР. (Приоритет от 25 июля 1961 г.).

5. Кэролл, Джон. Гидраты природного газа: пособие / пер. с англ./ Джон Кэрролл. - М.: Премиум Инжиниринг, 2007. - 289 с.

6. Макогон, Ю. Ф. Гидраты природных газов. - М.: Недра, 1974. - 237 с.

7. Макогон, Ю. Ф. Внезапные выбросы и участие в них метана в гидратном состоянии / Ю.Ф. Макогон, И.Ф.Морозов // Безопасность труда в промышленности. - 1973. - № 12. - С. 26-27.

8. Шепелева, С. А. О возможности участия кристаллогидратов метана во внезапных выбросах угля и газов / С. А. Шепелева, В. В. Дырдин // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2010. - № 1. - С.156-159.

9. Клюкин, Г.К. Особенности внезапных выбросов угля и породы и состояние выбросоактивного газа / Г. К. Клюкин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2009. - № 6. - С. 38-41.

10. Клюкин, Г. К. Механизм образования выбросоактивных зон / Г. К. Клюкин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2010. - № 2. - С. 56-58.

11. Мюллер, Р. Л. К вопросу о возможной роли химических процессов при внезапных выбросах угля и газа в угольных шахтах / Р. Л. Мюллер // Вопросы теории внезапных выбросов угля и газа. - М.: Изд-во ИГД АН СССР. - 1959. - С. 156-172.

12. Малинникова, О. Н. Эффект образования метана и дополнительной сорбции при разрушении газонасыщенного угля в условиях объемного напряженного состояния / О. Н. Малинникова, Г. Н. Фейт // Горный информационно-аналитический бюллетень. - Вып.8. - М.: МГГУ. - 2004. - С. 153-164.

13. Фейт, Г. Н. Механохимические процессы метанообразования в угольных пластах в условиях высоких напряжений / Г. Н. Фейт, О.Н. Малинникова // Горный информационно-аналитический бюллетень. Тематическое приложение «Метан». - М.: МГГУ. - 2006. -С. 192-205.

14. Малинникова, О. Н. Образование «дополнительного» метана при техногенном воздействии на угольный пласт / О. Н. Малинникова // Труды конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (28 июня-2 июля 2010 г.). - Том II. «Геотехнология». - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2010. - С. 185-190.

15. Скрицкий, В. А. Гипотеза о влиянии горного давления на возникновение начального теплового импульса в разрыхленных скоплениях угля /В. А. Скрицкий // Сборник трудов конференции «Фундаментальные проблемы формирования техногенной среды» (07-11 июля 2008 г.). - Том «Геотехнология». -Новосибирск: ИГД СО РАН, 2008. - С. 154-161.

16. Открытие № 400 СССР. Явление зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок / Е. И. Шемякин, М. В. Курленя, В. Н. Опарин [и др.] // Бюл. № 1, 1992.

17. Большинский, М. И. Газодинамические явления в шахтах / М.И. Большинский, Б. А. Лысиков, А. А. Каплюхин. - Севастополь: Вебер, 2003. - 284 с.

REASONS OF ORIGINATION AND Скрицкий Владимир Аркадьевич

DEVELOPMENT OF GAS-DYNAMIC PHENOMENA е-mail: scritsky@mail.ru

IN COAL MINES

V. A. Skritsky, A. V. Surkov Сурков Александр Васильевич

Analysis of published works is presented and

as a result of it a hypothesis is developed which ex-

plains the mechanisms of origination and develop-

ment of coal selfdestruction centers in the edge part

of coal seams which manifest themselves by sud-

den coal and gas outbursts or by blower methane

emission.

Key words: COAL SEAM, GEOLOGICAL

SHIFT, METHANE, CRYSTALHYDRATE,

DISSOCIATION, ZONE DESINTEGRATION,

COAL MECHANODESTRUCTION, OUTBURSTS,

BLOWERS