О механизме зарождения процессов, завершающихся внезапными выбросами угля и газа

В.Н. Опарин, член-корр. РАН, директор ИГД СО РАН

В.А. Скрицкий, д.т.н, ведущий научный сотрудник ИГД СО РАН

В угольных шахтах внезапные выбросы угля и газа (далее внезапные выбросы) происходят, когда глубина ведения горных работ от земной поверхности достигает 150–200 м и более. Характерная особенность внезапных выбросов заключается в том, что они происходят в зонах с геологическими нарушениями пластов и протекают с аномально высоким газовыделением, порой достигающим 200 м3 метана на каждую тонну выброшенного угля. И это притом, что метанообильность угля отрабатываемых пластов, на которых происходили и происходят внезапные выбросы, обычно не превышает 12–15 м3 метана на каждую тонну добываемого угля.

Ученые, занимающиеся проблемой предотвращения внезапных выбросов угля и газа, уделяли и уделяют повышенное внимание исследованиям, результаты которых позволили бы дать научное обоснование аномально высокому газовыделению из нарушенных угольных пластов, проявляющемуся при внезапных выбросах. Выдвигались различные теории, в том числе с введением термина «углеметановый раствор». Тем не менее до настоящего времени не найдено объяснения возникновения в зонах геологических нарушений пластов больших объемов газообразного метана, давление которого значительно превышает геостатическое [1–3].

Впервые о том, что в процессе механо-деструкции угля наблюдается механо-химический эффект, при котором происходит разложение угля с образованием метана, было установлено Р.Л. Мюллером [4]. Лабораторными исследованиями, выполненными в ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского и в ФГБУН ИПКОН РАН, было установлено, что в результате механо-химического эффекта объемы метана, образующиеся из каждой тонны разрушаемого угля, могут достигать 40–50 м3 и более. При этом 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, которое многократно превышает геостатическое давление [5–7]. Поэтому зарождение начального импульса, инициирующего возникновение внезапного выброса, невозможно объяснить метаном, образующимся при механо-химическом разложении угля.

Это подтверждается тем, что в большинстве случаев при переходе горными работами геологических нарушений внезапных выбросов угля и газа не происходит. Следовательно, чтобы в краевой части пласта создались условия, обусловливающие возможность зарождения и развития в ней очага внезапного выброса, необходимо, чтобы там изначально имелся концентрированный объем метана, сжатого под давлением, значительно превышающим не только геостатическое, но и опорное горное давление. Только в процессе расширения такого скопления метана могут создаться условия при которых, в результате механо-химического разложения угля будет образовываться метан.

Единственно возможным источником выделения значительного количества метана, и при этом развивающим в угольном пласте давление газа, многократно превышающее геостатическое, могут быть только кристаллогидраты метана. Возможность существования природных газов в земной коре в виде реликтовых включений кристаллогидратов – установленный факт [8, 9]. 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 гидраты метана), еще в 1973 г. было высказано Ю.Ф. Макогоном и И.Ф. Морозовым [10].

Уникальное свойство гидратов метана заключается в том, что при их образовании одним объёмом воды связывается до 207 объёмов метана. При этом в 1 м3 гидрата метана, находящегося в твердом состоянии, на долю газа приходится 0,2 м3, а на воду – 0,8 м3. В то же время при диссоциации 1 м3 гидрата метана из него выделяется 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 объёме равном 1 м3, давление, развиваемое газообразным метаном, достигает 232,9 МПа [11].

В последние годы в работах многих исследователей [12–14] вновь стали высказываться предположения о том, что внезапные выбросы угля и газа происходят в результате диссоциации гидратов метана в краевых зонах пласта. Однако в этих работах, как и в работе [10], не раскрыт механизм зарождения и развития процесса, завершающегося внезапным выбросом угля и газа. И, кроме того, в этих работах упущено из виду, что во внезапных выбросах может и должен участвовать метан, образующийся в процессе механо-химического разложения угля.

Действительно, если исходить из предположений, изложенных в работах [10, 12–14], о том, что внезапные выбросы происходят лишь под действием метана, выделившегося при диссоциации гидратов метана, то по количеству метана, выделившегося при выбросе, представляется возможным определить, какой объем гидрата метана необходим, чтобы выделилось соответствующее количество метана. Представляется возможным также определить и количество воды в жидкой фазе, которая должна была бы выделиться при диссоциации соответствующих объемов гидратов метана. Результаты таких расчетов для случаев внезапных выбросов, произошедших в шахтах разных стран [16], представлены в табл. 1. Из табл. 1 видно, что во всех представленных в ней случаях внезапных выбросов количество выделившейся воды при диссоциации соответствующих объемов гидратов метана зачастую должно было быть равно, а порой даже и превышать объемы выброшенного угля. Если бы вода в таких объёмах выделялась при внезапных выбросах, то влажность выброшенного угля должна была существенно повышаться. Кроме того, в горной выработке, в которой произошел внезапный выброс, должны были бы обнаруживаться следы воды и даже лужи.

Однако этого не наблюдается, а влажность угля, выброшенного внезапным выбросом в горную выработку, никогда не превышала влажность угля в ненарушенной части пласта. На основании выполненного и изложенного выше анализа сформулирована гипотеза, объясняющая механизм зарождения и развития в краевых частях пластов процессов, завершающихся внезапными выбросами угля и газа. В массиве горных пород, начиная с глубины 150–200 м, исходя из температуры пород и геостатического давления, могут быть условия, при которых сохраняется возможность для существования гидрата метана. Поэтому, если в процессе формирования геологических нарушений пластов в них образовались гидраты метана, то они могли до настоящего времени сохраниться там как реликтовые включения. В ненарушенных частях пластов, из-за отсутствия пустот и зазоров между угольными пачками, гидраты метана могут присутствовать как отдельные точечные и рассредоточенные вкрапления. А в зонах, где в результате геотектонических процессов происходили масштабные деформации (образование геологических нарушений пластов), пустоты и зазоры, возникавшие между угольными слоями и перемятыми углепородными пачками, могли заполняться локальными концентрированными скоплениями гидратов метана, как, например, это представлено на рис. 1.056 1

Следовательно, в геологических нарушениях пластов могут находиться зоны, в которых сохранились локальные скопления реликтовых гидратов метана в метастабильном состоянии. При ведении горных работ такие нарушенные участки пласта, с находящимися в них локальными скоплениями гидратов метана, оказываются под воздействием опорного горного давления. В зоне опорного давления происходит разрушение угля с преодолением сил трения, в результате чего температура его повышается на 5–25°С, в зависимости от величины опорного давления [15]. Кроме того, в соответствии с явлением зональной дезинтеграции горных пород в краевой части пласта образуются несколько нагруженных и разгруженных от горного давления зон, которые по мере подвигания забоя перемещаются [16]. Поэтому внутри краевой части пласта практически одновременно образуются разгруженные от горного давления зоны, к тому же с повышенной температурой угля. Если в такой зоне оказываются локальные скопления реликтовых гидратов метана, то происходит их диссоциация на воду и газообразный метан.056 t1

Так как диссоциация гидратов метана 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 до 200 МПа будет воздействовать выделившийся из гидрата метана газообразный метан [11].056 2

На термобарической кривой гидрата метана, представленной на рис. 2 [11], показано, как в результате изменения температуры угля и давления в краевой части пласта гидрат метана, находящийся в метастабильном состоянии (точка А), разлагается на воду и газообразный метан (точка Б).

Так как вода практически несжимаема, в зоне диссоциации гидратов метана произойдут многочисленные и разнонаправленные гидравлические удары, перемалывающие прослойки угля, в том числе в тонкодисперсную пыль.

Образование угольной пыли в зоне диссоциации гидрата метана, представляет собой процесс гидродинамического разрушения угля под действием высокого давления метана, выделившегося из газогидрата. Схема разрушения угольных прослоев под действием гидравлических ударов внутри краевой части пласта, представлена на рис. 3.

Таким образом, под воздействием давления метана (до 200 МПа), выделившегося при диссоциации гидрата метана, сдвижение и разрушение угля внутри краевой части пласта распространяется по геологическому нарушению, в том числе и по углю, в котором отсутствовали локальные скопления гидрата метана. Из этого угля, благодаря высокому давлению метана, также образуются частицы угольной пыли и новые (дополнительные) объемы газообразного метана, обусловленные механо-химическим эффектом разложения угля (до 50 м3 и более метана из каждой тонны разрушаемого угля) [5]. Образующаяся при этом угольная пыль, попадая в пространство между отдельными кусками и частицами угля, не только исполняет роль смазки, но и интенсифицирует выделение дополнительных объемов метана, образующегося из частиц угля в процессе их механо-химического разложения при взаимном истирании и разрушении. Дополнительные объёмы метана, образующиеся в этих процессах, также способствуют удержанию угольных частиц во взвешенном состоянии. Таким образом, внутри краевой части массива (в зоне с геологическим нарушением пласта), при наличии в ней локальных реликтовых скоплений гидратов метана, возникает подвижная газонаполненная система из взвеси разрушаемого угля в газообразном метане, давление которого значительно превышает не только геостатическое, но и опорное горное давление.056 3

На высокую интенсивность лавинного самоподдерживающегося процесса разрушения угля в подвижной газонаполненной системе «уголь-метан», происходящего в краевой части пласта, указывает гранулометрический состав угля, выброшенного в горную выработку. Из всей массы выброшенного в горную выработку угля на угольную пыль и частицы угля крупностью менее 3 мм приходится более 50% (табл. 2) [17].056 t2

Воздействуя изнутри краевой части пласта на забой вскрывающей выработки, образовавшаяся подвижная угле-газовая смесь с большой силой выталкивает в забой, как пробку из бутылки, наименее прочную и наиболее разрушенную угольную или породную пачку. Следом за этой «пробкой» через образовавшееся «горлышко» в выработку из краевой части горного массива происходит высоконапорное истечение (как жидкости) подвижной угле-газовой смеси. Именно такое высоконапорное истечение подвижной угле-газовой смеси из краевой части пласта в горную выработку именуется внезапным выбросом угля и газа.


ЛИТЕРАТУРА:

1. Скочинский А.А., Ходот В.В. Горная наука и борьба с внезапными выбросами угля и газа на шах* тах. – М.: Углетехиздат, 1957.

2. Бобров В.И., Кричевский В.И. Борьба с внезапными выбросами угля и газа. – Киев: «Техника», 1964.

3. Николин В.Н., Меликсетов С.С., Беркович И.М. Выбросы породы и газа. – М.: Недра, 1967.

4. Мюллер Р.Л. К вопросу о возможной роли химических процессов при внезапных выбросах угля и газа в угольных шахтах / В сб. «Вопросы теории внезапных выбросов угля и газа. М.: Изд*во ИГД АН СССР. – 1959.

5. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Механо*химические процессы метанообразования в угольных пластах в условиях высоких напряжений. Горн. Инф.* аналитич. бюлл. – Тематическое при* ложение МЕТАН. М.: МГГУ. – 2006.

6. Малинникова О.Н., Фейт Г.Н. Эффект образования метана и дополнительной сорбции при разрушении газонасыщенного угля в условиях объемного напряженного состояния/ Горн. Инф.* аналитич. бюлл. – Вып. 8. М.: МГГУ. – 2004.

7. Малинникова О.Н. Образование «дополнительного» метана при техногенном воздействии на угольный пласт. Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды//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.

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

9. Макогон Ю.Ф. Гидраты природных газов // М.: Недра. 1974.

10. Макогон Ю.Ф., Морозов И.Ф. Внезапные выбросы и участие в них метана в гидратном со* стоянии // Безопасность труда в промышленности. – 1973. * №12.

11. Кэролл Джон. Гидраты природного газа. Пособие / Перевод с англ. – М.: Премиум Инжини* ринг. – 2007.

12. Шепелева С.А., Дырдин В.В. О возможности участия кристаллогидратов метана во внезап* ных выбросах угля и газов. Вестник НЦ по безопасности работ в угольной промышленности. – 2010. * № 1.

13. Клюкин Г.К. Особенности внезапных выбросов угля и породы и состояние выбросоактивного газа // Вестник Куз ГТУ. – 2009. * № 6.

14. Клюкин Г.К. Механизм образования выбросоактивных зон // Вестник Куз ГТУ. – №2/2010.

15. Скрицкий В.А. Гипотеза о влиянии горного давления на возникновение начального теплового импульса в разрыхленных скоплениях угля // Сб. трудов конференции (07*11 июля 2008 г.) «Фундаментальные проблемы формирования техногенной среды». Том «Геотехнология». – Но* восибирск, ИГД СО РАН, 2008.

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

17. Большинский М.И., Лысиков Б.А., Каплюхин А.А. Газодинамические явления в шахтах. – Севастополь: «Вебер», 2003.

Журнал "Горная Промышленность" №5 2012, стр.56