Геологические условия формирования выбросоопасной зоны в угольных пластах и основные принципы предотвращения внезапных выбросов
Шахтинский институт Южно-Российского государственного технического университета
Эффективная разработка метаноносных угольных пластов наиболее ценного коксующегося угля зависит от решения проблемы прогнозирования и нейтрализации локальных участков, склонных к проявлению газодинамических процессов. Существующие взгляды на внезапные выбросы метана и разрушенного угля, как на процессы, развивающиеся в результате случайного сочетания многих факторов, не позволяют прогнозировать выбросоопасные зоны. Применяемые локальные способы предотвращения внезапных выбросов не всегда эффективны. Из-за отсутствия достоверных сведений о местонахождении выбросоопасных зон в угольных пластах, по мнению автора, сложилось ошибочное представление о необходимости закрытия шахт, разрабатывающих опасные пласты, и строительстве новых в более благоприятных горно-геологических условиях.
По гипотезе автора выбросоопасные зоны — это природные слоевые образования на территории локальных участков месторождения при изменении геологических и физико-химических условий торфонакопления. Изучив эти условия, можно прогнозировать местонахождение таких участков.
Исследования производились на шахтопластах Воркутского месторождения, представляющего брахисинклинальную складку (мульду), по периферии которой расположены отработанные и действующие шахтные поля. Длина мульды 34 км, а наибольшая ширина 13 км. Шахтами разрабатывались 7 пластов. На пластах «Мощном», «Тройном», «Двойном» и «Пятом» произошло 267 спровоцированных и внезапных выбросов. Выбросы были как одиночные, так и целой серией (более 20) в одной выработке.
Одним из основных признаков всех 267 выбросов является наличие рыхлого мягкого слоя, залегающего между более прочными пачками полосчатого полублестящего угля. На некоторых участках шахтопластов слои мягкого рыхлого угля отсутствуют, а на других их количество может быть от 1 до 4. Мощность слоя от 0.02 до 1.6 м.
Анализ разрезов угольных пластов в пределах Воркутского месторождения, а также Воргашорского и Юньягинского, где получили распространение исследуемые пласты, показал, что все очаги внезапных выбросов находятся в зоне влияния расщепления пластов (рис.1). Для изучения связи расщепления пластов с мягкими рыхлыми слоями угля в пластах были сделаны 5 вертикальных геологических разрезов, пересекающих все очаги произошедших внезапных выбросов.
Пласт «Мощный» разрабатывался 8 шахтами, а выбросы произошли на территории шахты № 18 («Комсомольская») на уровне изогипс –277, –320 и –694…–710 м. Первая зона с 21 внезапным выбросом была севернее бифуркации пласта «Мощного». Здесь же произошло 11 горных ударов. Вторая серия выбросов произошла западнее первой, но параллельно линии расщепления пласта.
На планах горных выработок шахты «Комсомольская» нанесены две линии, показывающие мощность междупластья 0.1 и 0.5 м между образовавшимися ветвями пластов «Тройной» и «Четвёртый». При мощности междупластья менее 0.5 м пласты отрабатывались как один слитный. Очаги внезапных выбросов расположены в срединной части между мощностью междупластья 0.5 м и выклиниванием этого слоя.
Структура пластов и промежуточного слоя от расщепления до линии слияния пластов изменяется следующим образом. При мощности междупластья более 11 м залегают закономерно чередующиеся пласты породы. По мере сближения пластов между ними остаётся слой углистого сланца от кровли нижележащего пласта или аргиллита от почвы верхнего пласта. Мощность и петрографический состав промежуточного слоя изменяются по площади его распространения. Локальное поднятие торфяника пласта «Четвёртого» привело к его размыву. На этом участке суммарная мощность пластов всего 1. 67 м. Севернее этого поднятия расположены очаги внезапных выбросов на уровне изогипсы –710 м. Анализ рельефа палео-поверхности в зоне выбросов показывает на возможность формирования озёр на участке между скважинами № 1082 и № 2024. С восточной и западной стороны мощность нижней пачки угля увеличивается до 1.4 м. Выбросоопасная зона имеет отрицательную депрессию.
Выявлены три варианта залегания мягкого рыхлого слоя между прочными пачками: породный пропласток отсутствует, подстилает или перекрывает этот слой. Но внезапные выбросы происходили на участках, где породные пропластки отсутствовали. Анализ выбросоопасных зон показал, что в месте выброса рыхлый слой имеет небольшую зольность. Так, в районе произошедших пяти внезапных выбросов в штреке № 1221-С зольность в пробах, взятых из выбросоопасного слоя, была 12.2%, а в верхней и нижней пачке прочного угля, соответственно, 30.1 и 43.4%. Вокруг полости внезапного выброса, наоборот, зольность в мягком сажистом слое в 2 раза больше, чем в прочных пачках. Зольность в 56 пробах, взятых из выброшенного угля на трех шахтах 4.0 … 8.0%. Между полостями выбросов зольность мягкого слоя изменяется от 17.1 до 49.3%. Такое распределение зольности говорит о том, что на территории промежуточного слоя, который рассматривается как выбросоопасный, в определённых фациальных условиях отложился локальный участок торфяника с небольшой зольностью. Это и будет выбросоопасная зона рыхлого мягкого угольного вещества, предрасположенного к внезапным выбросам. Очевидно, на этих участках озёрно-болотного происхождения сформировался торфяник из продолжающей развиваться растительности, в то время как вокруг формировался зольный слой элювиального происхождения.
В северной части месторождения на шахте № 29 («Юр-Шор») в пласте «Мощном» имеются 3 слоя мягкого угля и прослой углистого сланца. Внезапный выброс на уровне изогипсы –416 м произошёл из слоя, образовавшегося на участке слияния пласта «Первого» с «Двойным». Недалеко от границы с «Юр-Шор» на шахте № 7 («Северная») в течение одного месяца произошло 12 внезапных выбросов из этого же слоя на линии изогипсы –430 м. Южнее, на соседней шахте № 7 («Северная»), на уровне изогипсы –430 м произошло 99 внезапных выбросов также из слоя между пластами «Первым» и «Двойным». В пределах новых технических границ шахты «Комсомольская» (шахты № 5 и № 7) из этого же слоя в 1981 г. выброс произошёл на уровне изогипсы –552 м. В 1991 г. на изогипсе –554 м на расстоянии около 1000 м от предыдущего произошёл внезапный выброс 720 т разрушенного угля.
На шахте № 1 на уровне изогипсы –460 м произошли три внезапных выброса метана и угля через 2–3 дня так же, как и на трех выше описанных шахтах восточного крыла из слоя между пластами «Первым» и «Двойным» (рис.2). На шахте № 40, расположенной между шахтами № 1 и № 7 и разрабатывающей пласт «Тройной», выбросов не было, так как этот слой состоит из аргиллита. Таким образом, слой между соединяющимися пластами «Первый» и «Второй» простирается на большой площади северо-восточной части месторождения.
В южной части пласта «Двойного» со стороны расщепления залегает пропласток аргиллита. В северной части пласта на локальных участках он замещается рыхлым слоем угля, мощность которого увеличивается до 0.4…1.04 м. В расположении таких «гнёзд» произошло 69 внезапных выбросов на уровне изогипс –220…–300 м и 1 выброс – на изогипсе –326 м. На восточной стороне месторождения выброс произошёл на шахте №25 («Заполярная») в области слияния пластов «Первый+Второй» и «Третий». Севернее очага выброса этот слой выклинивается.
Таким образом, в результате исследований установлено, что все выбросы происходили из слоёв, которые образовались в результате крупных и мелкоамплитудных геотектонических ритмов. В результате каждого такого ритма во время торфонакопления образуется слой породы и угля на поверхности торфяника выше береговой линии и где формируется угольное вещество в изменившихся физико-химических условиях. В каждом таком слое могут быть выбросоопасные зоны. Так, в Воркутском месторождении выбросы происходили из 3 слоёв, которые образовались во время различных прогибов поверхности торфяника.
Анализ результатов позволяет теоретически смоделировать образование промежуточных слоёв. Рассмотрим на примере, как формируются породные и угольные слои другого генезиса в результате геотектонических ритмов. На рис.3 изображено месторождение, в границах которого во время торфонакопления произошло три крупных геотектонических ритма. Опускание торфяника происходило с трёх сторон. В результате этих опусканий и повышения уровня воды торфонакопление прерывалось. Слой торфа покрывался наносами минеральных пород. На пограничных участках в изменившихся фациальных условиях продолжалось отложение зольного угля с островками рыхлого угля с меньшей зольностью. В результате этих ритмов после уплотнения в угольном пласте образуются слои породы или зольного угля. На рис.3 показано возможное местонахождение выбросоопасных зон на каждом из трех образовавшихся слоёв. Местонахождение этих зон зависит от параметров геотектонического ритма. В пределах месторождения остались 2 участка, на которых не происходило опускание торфяника во время торфонакопления и нет породных слоёв.
На рис.3а показан разрез пластов по линии a-b-c-d-e-f. На участке a-b имеется один слой от 2-го геотектонического ритма. Мощность слоя большая, и возможно расщепление пласта. На участке b-c два слоя: от 2 и 3 ритмов. На участке c-d три слоя. На участке месторождения d-e снова два слоя, а на e-f – один слой. В этом сечении только одна выбросоопасная зона на участке b-c второго слоя. На рис.3, б показан продольный разрез месторождения по линии s-t-k-r-x-y-z. На участке s-t не было прерывания торфонакопления, и поэтому нет выбросоопасного слоя. В первом слое, который образовался в результате первого геотектонического ритма, выбросоопасные зоны могут быть на участке k-r. На остальных участках этот слой не будет выбросоопасным. Второй слой в этом разрезе не опасен по выбросам. Третий слой в разрезе залегает на участках r-x-y-z. Однако выбросоопасные зоны возможны на участке y-z ближе к линии пересечения y.
Основными признаками выбросоопасности пластов принято считать близость к крупным геологическим нарушениям и высокую метаноносность. Анализ расположения очагов внезапных выбросов в Воркутском месторождении показал отсутствие их связи с такими нарушениями. Наиболее крупные нарушения находятся в северной части месторождения. Однако здесь не было ни одного внезапного выброса, так как промежуточные слои между прочными пачками отсутствуют или состоят из углистых пород.
Петрографический анализ угольного вещества из выбросоопасного слоя и теоретическое моделирование разложения органического вещества во время торфонакопления показали, что угольное вещество на участках, предрасположенных к газодинамическим проявлениям, и в окружающих прочных пачках имеют различные генетические линии формирования физико-механических свойств. Это различие вытекает из физической основы теории строения вещества. Генетическая линия формирования свойств развивается в следующей последовательности: условия образованияЫсоставЫструктураЫэнергетическое состояниеЫфизико-механические свойства. Установлено, что статистические параметры первоначально синтезируемых макромолекул торфа в выбросоопасной зоне отличались набором и количеством ароматических ядер и функциональных групп. В результате изменившейся кислотности и концентрации раствора во время коллоидного состояния образовалась химически рыхлая (неплотная) аморфная структура угольного вещества, которая характеризуется спиральной формой макромолекул, слабыми межмолекулярными и межагрегатными связями, низкой кристалличностью.
На рис.4 показаны фрагменты фотографий угольного вещества, взятого в выбросоопасном слое (а) и в прочной пачке (б). На последнем видны участки с кристалличной структурой. Межатомная пористость рыхлой структуры составляет более 25% занимаемого объёма, а в прочной пачке — 14%.
Для определения локального природного газонакопления в различных слоях угольного пласта были выполнены расчёты по результатам выделения метана во время вымывания передовых полостей по выбросоопасному слою и разрушения прочных пачек комбайном. Расчёты производились после каждого цикла подвигания забоев выработок. Определялось метанонакопление или природная метаноносность 1 т горной массы в выбросоопасном слое шириной 13 м и в прочных пачках шириной 5 м. Отмечены резкие изменения газонакопления в пласте по ходу подвигания выработок. Так, в выбросоопасном слое газонакопление варьировалось от 2 до 103.5 м3/т, а в прочных слоях — от 0.9 до 39.3 м3/т. Газонакопление на соседних участках может отличаться в несколько раз. После внезапного выброса на расстоянии 7 м от полости дебит метана увеличивается. На одном участке выработки длиной 110 м отмечены резкие изменения метаноносности от 45 до 103.5 м3/т. Во время вымывания передовых полостей для дегазации призабойного массива выбросоопасного слоя и приведения его в невыбросоопасное состояние происходили внезапные выбросы и микровыбросы из целиков, оставшихся между вымытыми полостями. Микровыбросы происходили через 2 м. Очевидно, локальные газонаполненные объёмы угольного вещества разделены участками с низкой газопроницаемостью, и для их дегазации необходимо полностью разрушать целики между полостями. Отмечено, что выделение метана из целиков начинается при расстоянии между центрами соседних полостей 1.8 м.
Для обеспечения безопасности работ во время вымывания передовых полостей в выбросоопасных зонах необходимо учитывать неравномерность распределения метана в выбросоопасном слое. Основными принципами предотвращения внезапных выбросов должны быть: управляемая дегазация с непрерывным контролем (рис.5); неснижаемое опережение буферной (защитной) разрушенной и дегазированной полосы в призабойном массиве.
Для непрерывного контроля необходимо применять насадку-датчик с кольцевой щелью, которая одновременно является рабочим органом и датчиком для вакуумманометра. По показанию прибора определяется противовыбросная ситуация в забое. Насадка может быть основой для создания автоматического агрегата, применение которого позволит вывести людей из забоя во время вымывания передовых полостей.
На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы. Выбросоопасные зоны в угольном пласте — это природные образования, формирующиеся в определённых местах торфяника во время геотектонических ритмов. Прогнозирование их расположения в пластах действующих и проектируемых шахт возможно при анализе геотектонических условий торфонакопления в пределах месторождения. Локальные способы предотвращения внезапных выбросов при переходе выбросоопасных зон должны учитывать неравномерность расположения макрообъёмов угольного вещества с высоким газонакоплением. Наиболее безопасным является способ управляемой дегазации с непрерывным контролем. Создание автоматического агрегата на основе следящего снаряда позволит вывести людей из забоя во время выполнения противовыбросных мероприятий.