Природа внезапных выбросов. К 120-летию со дня рождения Л. Н. Быкова

ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПА СНОСТЬ

УДК 622.831

ПРИРОДА ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ.

К 120-ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ Л.Н. БЫКОВА

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

Исследования подтвердили научно обоснованные доказательства Л.Н. Быкова, высказанные им более чем за 50 лет тому назад, в части структурных особенностей пластов, подвижной водогазовой системы, определяющей роли летучих веществ, распределения метана в угольных пластах и роста давления метана с глубиной. Радикальный или радикально-цепной механизм объективно обуславливает случайный характер зарождения внезапных выбросов.

Ключевые слова: метан, угольный пласт, внезапный выброс угля и газа, газообильность, давление газа, дегазация.

При отработке месторождений угля, солей и др. разработчики встречались с различными природными явлениями, такими, как газодинамические процессы, самовозгорание угля, плывуны и др., понимание механизма которых базировалось на наблюдательно-описательном подходе. Особое место по созданию аварийной обстановки в шахтах занимали газодинамические процессы, а именно внезапные выбросы - самопроизвольный выброс газа и твердого полезного ископаемого (уголь, соль) или вмещающей породы в подземную горную выработку из забоя или призабой-ной зоны массива; продолжительность внезапного выброса - несколько секунд.

Первый выброс угля и газа зарегистрирован в 1834 г. во Франции на шахте «Исаак» бассейна Лаура, затем в Бельгии (1847 г.), в XIX отмечались в Руре, Нижней Силезии, Южном Уэльсе, Венгрии, Канаде. Первый внезапный выброс угля и газа в России отмечен в 1906 г. на шахте «Новая Смолянка» (Донбасс) на глубине 711 м, а первый выброс породы в 1955 г. - на шахте № 1 - 5 «Кочегарка» (Донбасс) при проходке квершлага на глубине 750 м.

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

Изучение механизма данного сложного процесса в основном базировалось на интуитивно-расчетном способе познания на первом этапе исследований. В начале XX столетия ученые и практики Франции, Германии, Англии, Бельгии стали переходить к систематическим исследованиям по выявлению закономерностей внезапных выбросов, изучая свойства углей, вмещающих пород, состояния массивов, а также технологических особенностей ведения горных работ. В России аналогичные исследования начинались в 20 годах прошлого столетия в Донбассе горным инженером Л.Н. Быковым.

В мае 1919 г. Л.Н. Быков успешно закончил Екатеринославский горный институт. До 1922 г. он работает не по специальности, а в сентябре 1922 г. принимается на должность начальника вентиляции шахты «Ново-чайкино». В 1925 г. его назначают заведующим шахтой «Новочайкино», а затем заведующим шахтой «С. Наклонная». В это время он знакомиться с деятельностью Макеевской станции по безопасности работ и в августе 1926 г. на конкурсной основе переходит на работу в это предприятие, ставшее позднее в МАКНИИ и в котором он прошел путь от научного сотрудника до заместителя директора - научного руководителя.

Научная деятельность Л.Н. Быкова началась с создания лабораторной базы в МАКНИИ, лабораторий при горноспасательных станциях в Горловке, Енакиеве, на шахте им. Артема и др. Все станции и пункты работали по единому плану, разработанному Л.Н. Быковым. Непосредственными руководителями работ на шахтах, станциях были А.М. Карпов, А.С. Цырульников, В.И. Кравец, А.П. Абдула, К.В. Буянов, Г.Ф. Вихерт и др. Руководители производств создали благоприятные условия для работы лабораторий, выделив площади, лабораторный персонал и работников шахт для отбора проб, а также необходимые средства для ведения исследований.

В 1932 г. выходит в издательстве ГНТГ монография «Изогазы и теория происхождения внезапных выделений», имеющая особо важное значение для горной науки и практики и принесшая автору широкую известность среди специалистов на родине и за рубежом. В журнале «Глюка-уф» № 23 и № 24 за 1932 г. дано обстоятельное изложенное научной сути теории происхождения внезапных выделений, роли газа, физико-химических и механических свойств угля и вмещающих пород в интерпретации проф. Бубнова. О значении данной работы для горной науки подвел итог основоположников русской школы рудничной вентиляции акад. А.А. Скочинский: «За границей изучение этих грозных явлений объединило в этом отношении не только французов, бельгийцев, англичан и американцев, но даже таких врагов как французов и германцев. Мы - в СССР - до последнего времени почти совершенно не участвовали в этой работе, и первым серьезным научным вкладом в эту международную работу является труд горного инженера Л.Н. Быкова».

100

_Промышленная безопасность_

Огромный научный интерес к пониманию механизма внезапных выделений и его прикладной аспект широко освещается в центральной печати, а именно в журналах «Безопасность труда», «Уголь», в сборниках трудов и др. В 1936 г. выходит монография «Теория и основные принципы эксплуатации пластов, склонных к внезапным выделениям газа», которая в апреле 1936 г. защищается как докторская диссертация в Академии Наук СССР. Официальными оппонентами выступали акад. Семенов Н.Н., акад. Скочинский А.А., которые отметили высокую научную и практическую ценность работы. Последнее было подтверждено результатами внедрения научных разработок, что нашло отражение в резком снижении количества внезапных выбросов и особенно на четырех наиболее опасных шахтах (табл. 1).

Таблица 1

Результат внедрения

Годы Количество выб эосов на шахтах

ЮНКОМ № 1-2, Кр Октябрь Кр. Проф. интер Им. Карла Маркса

1934-1936 20 4 126 35

1937-1939 4 0 61 8

По Л.Н. Быкову, «внезапный выброс - это сочетание трех факторов: газа, структура угля и давления. Носителем взрыва является свободный газ, находящийся в угленосной толще! Структура угля, под которой понимается тектоника, играет роль коллектора свободного газа. Горное давление в основном способствует разрушению целика угля, отделяющего горную выработку от препарированной зоны». При этом под структурой понимаются особенности состава, строение, формы, размеры отдельностей составляющих угольных массивов.

На основе результатов исследований (табл. 2) он делает вывод, что газы, образовавшиеся в процессе метаморфизма в огромных количествах, частично сорбировались углем, в значительных количествах мигрирования на поверхность через покрывающие пласты угля толщи пород, но некоторая часть их сохранилась в угленосной толще в свободном состоянии. Эти газы, находящиеся под соответствующим давлением, и являются основным источником выбросных явлений в шахтах. Возможно, что процесс образования газа, т.е. метаморфизма, непрерывно продолжается и в настоящее время [1].

Рассматривая газ, находящийся в угленосной толще в свободном состоянии, как главный источник энергии в выбросных явлениях никогда не забывали о том, что существует и горное давление, играющее также

101

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

важную роль в этих явлениях. Основная его роль заключается в сохранении газа под тем или иным давлением. Ведение эксплуатационных работ нарушает в толще породы равновесие, вследствие чего в последних создается сложное движение, вызывающее разную степень напряженности в породах, в отдельных ее участках. Эти напряжения зависят от многих факторов и, в частности, от систем разработки, скорости подвигания забоев, глубина разрабатываемого горизонта и т.д. Иногда подвижки пород могут явиться даже инициатором выброса, однако сам выброс осуществляется энергией свободного газа, заключенного в препарированной тектоническими процессами зонах угленосной толщи [1].

Таблица 2

Основные показатели исследований

Показатели «Юн- «Крас- «Крас- «8-8 «Ком- «Им.

ком» ный ный бис» сомо- Арте-

ок- про- лец» ма»

тябрь» фин-тер»

Горизонт, м 596 560 645 521631 620 620

Количество вскрытий 4 4 5 10 4 5

Максимально давление, 73 63 43,5 47,8 42 51

кг/см2

Среднее давление, кг/см2 43,3 39,7 37,7 37,1 38,5 35,8

Средний выход летучих, % 13,8 19,8 18,9 22,7 30,2 30,3

Количество потерянных лету- 31,2 25,2 26,2 22,3 14,8 14,7

чих, %

Количество образовавшегося метана, м3 450 370 380 330 220 220

Отношение среднего давле- 1,4 1,5 1,4 1,6 2,6* 2,4*

ния к потерянным летучим

*Повышенное отношение на шахтах Комсомолец и им. Артема, скорее всего, объясня-

ется не только образованием метана, но и в значительном количестве образованных

тяжелых углеводородов и углекислого газа

И еще внезапные выбросы, в основном, связаны с подвижной водо-газовой системы и их интенсивность подчиняется, в основном, закону гидростатического давления. В процессе исследований были установлены связи между химическими изменениями углей в процессе метаморфизма (выход летучих) с результатами замеров давлений газа перед вскрытием угольных пластов (табл. 2), между давлением газа в угольном пласте и количеством потерянных углями летучих (табл. 2), а также между количеством потерянных летучих и интенсивностей выбросов угля (табл. 3). Из полученных материалов следует, что

_Промышленная безопасность_

- количество оставшихся в угленосные толще газы находятся в строгом соответствии с количеством потерянных летучих, или, иначе, с количеством образовавшихся в процессе метаморфизма газов (возможно образующихся и в настоящее время);

- количество потерянных летучих, т.е. количество образовавшихся газов, определяет интенсивность выбросов (табл. 3) [1].

В целом исследования, проведенные Л.Н. Быковым в 1930 - 36 гг. и в последующие годы, позволило сделать следующие выводы [1].

1. Образование метана, находящегося в угленосной толще, является следствием метаморфизма.

2. Количество образовавшегося метана пропорционально потерянным летучим или обратно пропорционально выходу летучих; причем количество метана при этом может достигать 12...15 м на каждый процент потерянных летучих.

Таблица 3

Интенсивность выбросов по группам шахт_

Показатель Группа шахт

Среднее количество потерянных летучих,% 27,5 23,3 14,8 14,7

Среднее количество выделившегося метана, м3 330 ... 410 280 ... 340 180 ... 220

Средняя интенсивность выбросов по всей толще от гор. 205/290 до 555/640 96,0 61,0 59,0 14,0

Образовавшийся метан распределяется в угленосной толще закономерно по мощности пласта. По простиранию пласта количество сорбированного метана изменяется закономерно, причем может изменяться в значительных пределах для одного и того же горизонта. Но эти изменения происходят не внезапно, а постепенно от одного уровня к другому. Зона перехода при этом может достигать 30 м и более. С глубиной количество метана растет по линейному закону.

3. На основе выявленных распределений метана в угленосной толще впервые в 1932 г. были созданы (разработаны) «Газовые карты». Практической ценностью таких карт явилась принятая и утвержденная Государственным геологическим комитетом СССР и Государственным комитетом по топливной промышленности при Госплане СССР «Временной инструкции по определению и прогнозу газоносности угольных пластов при проведении геологоразведочных работ». Упоминание Л.Н. Быкова отсутствовало!

4. Исследования показали, что внезапные выбросы угля и газа подчинены своим закономерностям. На основании последних Л.Н. Быковым сформулирован «Закон распределения начального пластового давления га-

103

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

за с глубиной работ». Согласно закона давление растет с глубиной по линейному закону. Закон справедлив в первом приближении для месторождений нефти, газа и угля, рассматривая две системы, внутренние связанные между собой, но могущие жить в известной мере независимо одна от другой - твердого «скелета» и подвижной водогазовой системы. Внезапные выбросы связаны с подвижной водогазовой системой и их интенсивность подчиняется закону гидростатического давления. Основное направление борьбы - снижение давления подвижной системы за счет дегазации.

Впервые в результате исследований изучалось взаимодействие всех трех фаз существования вещества: твердого, жидкого и газообразного. Выводы Л.Н. Быковым озвучены восемьдесят лет тому назад. Соответствуют ли они современному пониманию природы внезапных динамических явлений, происходящих в шахтах и актуальна ли сама проблема внезапных выбросов угля и газа?

В последние годы изменилось отношение к недрам Земли, а именно к техногенно преобразуемым недрам и соответственно к литосфере. Изучение техногенно преобразуемой литосферы осуществляется в рамках трех главных функций: ресурсной, геодинамической и геофизико-геохимической. Если ресурсная функция определяет роль ресурсов недр, необходимых для развития биоты и общества, то геодинамическая роль литосферы - в возникновении и развитии природных и антропогенно-модифицированных геологических процессов, и явлений, а геофизико-геохимическая - влияние на здоровье населения и адаптивные возможности биоты геохимических аномалий и физических полей.

В свете наших интересов мы коснемся новых знаний в части геодинамической функции литосферы, а конкретнее - геологической среды -многофазной динамической структуры, включающей в себя природные и техногенные объекты.

Во-первых, исследования, проводимые под руководством акад. М.А. Садовского, установили, что горные породы обладают двумя характерными свойствами: дискретностью (отдельности разных размеров) и постоянным колебательным движением в широком спектре частот. Более того, становится все более очевидным, что неоднородность, кусковатость, разбитость на блоки определяет важнейшие структурные свойства недр. Эти свойства отмечены в кристаллах, блоках, литосферных плитах. Причем частицы, тела, блоки имеют не случайные, а избранные размеры, составляющие геометрическую прогрессию, в которой размеры отличаются один от другого чаще всего в 3,3 раза. Это правило соблюдается в огромном диапазоне размеров (15 порядков): от пылинок до планет.

Во-вторых, при отсутствии внешних воздействий на угольный пласт вещество угля является практически стабильным, т.е. все процессы преобразования идут медленно [4]. Под воздействием горных работ процессы идут в двух уровнях организации:

104

_Промышленная безопасность_

- макроскопических изменений, при которых перераспределяются напряжение и тепловые потоки; переориентируются элементы строения угольного вещества в соответствии с новой системой воздействующих сил, слагается новая система нарушенности угля, и горного массива;

- микроскопических с двумя типами изменений физико-химическими и структурными изменениями состава угольного вещества, строения угольного вещества на молекулярном и надмолекулярном уровнях; разрыв связей, образования свободных радикалов в результате разрывов химических связей. Эти изменения переводят стабильную систему уголь-газ в новое мотастабильное состояние [4].

В-третьих, российские ученые А. А. Трофимук, Н.В. Черский, Ф.А. Требин, Ю.Ф. Макагон, В.Г. Васильев обнаружили свойство природного газа в определенных термодинамических условиях переходит в геологической среде (в земной коре) в твердое состояние и образовывать газогид-ратные залежи. Установлено, что газ переходит в твердое состояние, соединяясь с пластовыми водами при гидростатических давлениях (до 250 атм) и сравнительно низких температурах (до 295о К). Газогидратные залежи обладают более высокой концентрацией газа в единице объема пористых (сложных структурных формирований) сред, так как один объем воды при переходе ее в гидратное состояние связывает до 220 объемов газа.

В дополнение сказанному исследованиями [3], проведенными в последнее время, выявлено распределение метана по формам существования в углях средней стадии метаморфизма (табл. 4) и изменение природной метаноносности угольных пластов с глубиной.

Таблица 4

Распределение метана по факторам существования в углях средней стадии метаморфизма

Локализация метана в угле Форма связи метана Количество

с углем метана, %

1. Внутри дефектов сплошности угля в Свободный метан 2-12

природных условиях

2. На угольных поверхностях природных пор и дефектов сплошности Адсорбированный метан 8-16

3. В межмолекулярном пространстве угольного вещества Твердый углеметановый раствор 70-85

4. В дефектах ароматических слоев кристаллитов Химически сорбированный метан 1-2

Внутри структур Твердый раствор внедрения 1-3

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

Следует подчеркнуть роль летучих веществ. Ранее по выходу летучих веществ судили о качестве угля, так как этот показатель характеризует состав угля и степень углефикации и представляет собой отношение массы летучих веществ к единице массы топлива (в %) в перечисление на сухое

беззольное его состояние (Vм). Для каменных углей Vм ~ 50 - 8 %.

По Л.Н. Быкову, потери летучих достигали более 30 %, а количество метана выделяющееся при этом 12.15 м3 на каждый процент потерянных летучих, т.е. внезапно выделяется до 350.450 м метана. Откуда и за счет чего? Исходя из данных табл. 4 таким источником могли бы быть твердые газогидратные растворы. Современные исследования [5] показали, что метанообильность угольных шахт с выходом летучих веществ

связаны зависимостью:

д = а - У4,

где а и к - размерные коэффициенты эмпирического значения, которых определены для различных угольных компаний [5].

Таким образом, исследования подтвердили научно обоснованные доказательства Л.Н. Быкова, высказанные им более чем за 50 лет тому назад, особенно в части структурных особенностей пластов, подвижной во-догазовой системы, определяющей роли летучих веществ, распределенного метана в угольных пластах и росту метана с глубиной. Теперь можно объяснить некоторые явления, происходившие при бурении глубоких скважин диаметром 37.50 мм на шахте Ново-Смоляниновская, когда в процессе бурения происходили разные по силе толчки на буровой снаряд, когда бур пересекал трещины в пласте. При этом из скважины выбрасывались уголь и газ, отмечались зажатия штанг, приходилось останавливать бурение и с трудом извлекать снаряд. Это выброс. В результате резкого перехода (падение давления) происходило выделение метана и обратный рост давлений.

И, наконец, при отсутствии внешних воздействий на угольный пласт вещество угля практически находится в квазистационарном состоянии. При воздействии же горных работ происходит дополнительная обработка, т.е. макроскопическое и микроскопическое изменение: строение угольного пласта, состава угольного вещества, структуры, разрыв химических связей и как результат образования свободных радикалов и т.д. Работами Н.Н. Семенова установлено, что взаимодействие органической массы природных углей с газовыми соединениями, в частности с молекулярным кислородом, подчиняется общей схеме, присущей всем органическим соединениям, а если наблюдаются некоторые, то последние объясняются кинетикой сорбции этого процесса [2]. При изменении условий в угольной

106

_Промышленная безопасность_

толще (пласте) меняются источники образования радикалов в системе и роль функциональных групп угольного вещества, но процесс в целом будет подчиняться радикальному или радикально-ценному механизму.

Радикальный или радикально-цепной механизм объективно обуславливает случайный характер зарождения внезапных выбросов. В этой связи прогноз данного явления следует трактовать, как ответ на вопрос: возникнет или нет в заданных условиях в массиве очаг внезапного выброса, т.е. научно обоснованно можно судить лишь о том, в какой степени свойства угля, его структура, природные условия и техногенное воздействие способствуют возникновению внезапного выброса и на этой основе разрабатывать мероприятия профилактического плана.

Список литературы

1. Быков Л.Н. Внезапные выбросы, их природа и борьба с нами в шахтах. Тула: Приокск. изд-во, 1972. С. 40 с.

2. Семенов Н.Н. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности. М., 1958. 686 с.

3. Проблемы и перспективы развития угольных энергоресурсов России, безопасных и экологически чистых технологий их освоения. Энергетика России: проблемы и перспективы / К. А. Трубецкой, В. А. Чантурия, Ю.Н. Малышев, А. Д. Рубин / под общ. ред. В.Е. Фергова, Ю.Г. Леонова М.: Наука, 2006. 499 с.

4. Саранчук В.И., Айруни А.Т., Ковалев К.Е. Надмолекулярная организация, структура и свойства угля. Киев, 1988. 192 с.

5. Подготовка и разработка высоко-газоносных угольных пластов / А.Д. Рубан [и др.]. М.: Изд-во МГГУ, 2010. 501 с.

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

NATURE OF SUDDEN OUTBURSTS.

THE 120th ANNIVERSARY OF THE PROFESSOR LEONID BIKOV

E.I. Zoharov, 1.М. Lavit, Р.N. Chehotarev 107

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

Researchers confirmed scientifically substantiated identifying L.N. Bikov, which formulating him more than 50 years ago. It's correct at the part of coal beds structure peculiarities, movable water-gas system, determinative role of coal-volatile matters, distributing methane in coal beds and increasing methane pressure with dept. Radical and chain-radical mechanism objectively stipulate random character of sudden outbursts appearance.

Key words: methane, coal bed, sudden outburst of coal and gas, gas emitting, gas pressure, degassing.

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

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

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

Reference

1. Bykov L.N. Vnezapnye vybrosy, ih priroda i bor'ba s nami v shahtah. Prioks. izd-vo, 1972. S. 40.

2. Semenov N.N. O nekotoryh problemah himicheskoj kinetiki i reakcionnoj spo-sobnosti. M., 1958. S. 686.

3. Trubeckoj K.A., Chanturija V.A., Malyshev Ju.N., Rubin A.D. Problemy i pers-pektivy razvitija ugol'nyh jenergoresursov Rossii, bezopasnyh i jekologicheski chistyh tehno-logij ih osvoenija. Jenergetika Rossii: problemy i perspektivy: per. Nauch. sessii RAN: Obshhee sobra-nie RAN 19-25. 12.2005/Pod obshhej red. V.E. Fergova, Ju.G. Leonova; RAN. M.: Nauka, 2006. 499 s.

4. Saranchuk V.I., Ajruni A.T., Kovalev K.E. Nadmolekuljarnaja organizacija, struk-tura i svojstva uglja. Kiev, 1988. 192 s.

5. Podgotovka i razrabotka vysoko-gazonosnyh ugol'nyh plastov/ A.D. Ruban [i dr.] // M.: Izd-vo MGGU. Gornaja kniga, 2010. 501 s.