Геолого-генетические основы предотвращения взрывов метана в шахте

Автор: д. т. н., проф., зав. кафедрой, Колесниченко Е. А., к. т. н., доц., Шахтинский институт ЮРГТУ (НПИ),Колесниченко И. Е.

Проблема обеспечения безопасности в шахтах, разрабатывающих метаноносные пласты угля, продолжает оставаться актуальной в России и за рубежом. Только в 2004 г. в Кузбассе произошло 8 взрывов метановоздушной смеси и 1 внезапный выброс метана и угля, в Восточном Донбассе произошло 1 воспламенение метановоздушной смеси, серия взрывов с большими человеческими жертвами произошла в Украине, Казахстане и Китае. Необходимо отметить, что в последние годы произошло уменьшение количества и мощности внезапных выбросов метана с разрушенным углём. Одновременно увеличилось количество взрывов метана в шахтной атмосфере (табл. 1). Увеличиваются и материальные затраты на ликвидацию последствий взрывов в шахтах. Особенно заметно это увеличение в шахтах Кузбасса. Взрывы метана происходят в результате превышения интенсивности выделения метана по сравнению с прогнозируемым. При этом, по нашему мнению, методика расчёта необходимого расхода воздуха и схемы распределения свежего воздуха для разбавления выделяющегося метана неверны.

Превышение прогнозируемого выделения метана следует рассматривать не в целом по шахте или выемочному полю, а по источникам выделения. Источники инициирования взрывов могут находиться в любом неконтролируемом месте подземного пространства шахты. Поэтому прогноз выделения по источникам, по нашему мнению, отличается от прогноза внезапных выбросов метана и угля. Актуальность такого прогноза можно объяснить тем, что первыми появились внезапные выбросы метана вместе с разрушенным углём, объём которого достигал сотен и тысяч тонн. Выброс угля представлял большую опасность, чем выброшенный метан, так как эти выбросы из-за большой концентрации метана не всегда заканчивались взрывами. Методы прогноза и предотвращения настроены на внезапный выброс разрушенного угля с метаном. Подчеркнём, что прогнозируется разрушение угля. При этом все методы и способы прогнозирования предполагают бесконтрольный выпуск метана в шахтную атмосферу. Вентиляция не может адекватно реагировать на повышенные выделения метана, которые не обеспечиваются дополнительным расходом свежего воздуха и не учитываются при расчёте его объёмов.

Рассмотрим возможность использования применяемых на шахтах методов прогнозирования внезапных выбросов метана и разрушенного угля для прогнозирования внезапного выделения метана в объёмах, превышающих расчётные. В принципе, если знать этот прогноз, то параметры вентиляции должны быть на него настроены. В настоящее время при расчёте вентиляции по «Руководству...» [1] учитывается неравномерность выделения метана специальным коэффициентом, который не имеет отношения к изменению метаноносности угля в пласте. Не учитывается возможность подработки и надработки пластов угля, имеющих локальные выбросоопасные участки с высоким содержанием метана. Повышенные объёмы метана поступают в выработанное пространство, создавая взрывоопасную смесь.

Первые внезапные выбросы произошли в середине XIX века во Франции, Канаде, Германии, Англии, Венгрии. В России впервые они были зарегистрированы в начале XX века.

Изучение внезапных выбросов метана и угля с целью прогнозирования выбросоопасных зон и предотвращения внезапных выбросов продолжается в течение многих лет. В основе формирования представлений о процессах, происходящих во время выбросов, находятся не только данные наблюдений, но и уровень развития научно-теоретических представлений и открытий в фундаментальных науках о строении вещества и о процессах формирования этого вещества.

Первые гипотезы о происхождении внезапных выбросов были сформулированы еще в начале прошлого века. В 1910 г. Stassart и Lemair предположили, что внезапные выбросы происходят в местах повышенных остаточных напряжений тектонического происхождения или препарации угольных пластов в местах геологических нарушений. В 1917 г. русский ученый Н. Н. Черницын [2] обосновывает выбросы скоплением газа с повышенным давлением. Л. Н. Быков (МакНИИ) также предполагает наличие в

пластах специфических очагов, состоящих из системы ячеистых трещин, заполненных газом. При приближении забоя к такому очагу возможен прорыв газа в выработку. J. Jicinsky, M. Morin, F. C. Cornet, M. Jarlier обосновывают внезапные выбросы концентрацией напряжений вокруг горных выработок.

В результате этих предположений получили распространение две основные гипотезы, в которых основными источниками энергии разрушения угля и выброса были газ, находящийся в угле, или горное давление.

В 1952 г. В. В. Ходотом [3] была разработана энергетическая теория внезапных выбросов угля и газа, учитывающая горное давление, давление газа и физико-механические свойства угля (прочность угля при дроблении и сопротивление его одноосному сжатию). По его мнению основной причиной выбросов является неоднородность структуры угля. Однако под структурой угля автор понимается только его трещиноватость. Одним из условий возникновения внезапного выброса является уменьшение его прочности в зоне тектонических нарушений, в особенности пликативных. При этом изменяется структура пласта «с образованием пачек и включений перемятого, аморфного угля, наряду с сохранением участков пласта с ненарушенной структурой» [3].

Учёными А. Э. Петросяном, Б. М. Ивановым, И. М. Петуховым и др. были продолжены теоретические концепции В. В. Ходота, С. А. Христиановича, Л. Н. Быкова и др. В основе их представлений основными причинами выбросов остались концентрация напряжений впереди забоя, сорбционная метаноёмкость и газопроницаемость угля. Авторы считают, что угли опасных и не опасных по выбросам пластов имеют одинаковую сорбционную метано-ёмкость. Содержание свободного газа в угле зависит от объёма макропор и трещин, а сорбционная метаноёмкость пласта зависит от петрографического состава угля. При этом на соседних участках пласта обычно одинаковая метаноносность, а из-за различной пустотности давление газа впереди забоя в пласте может достигать 10–13 МПа.

Достоинством рассмотренных теоретических представлений является признание существования высокопористого угольного вещества, насыщенного газом под большим давлением. Однако они не дают объяснения, где возможна встреча забоя с таким локальным участком пласта.

По нашему мнению, теория внезапного выброса должна решать основную проблему прогнозировать местонахождение опасных зон и обосновать способы предотвращения внезапных выбросов [6]. Методами только энергетической теории проблему прогнозирования и обеспечения безопасности в забое решить невозможно. Многими учёными признаётся сложная макро– и микроструктура угольного вещества, состоящего из различных ингредиентов, имеющих свою природу, физико-химические условия образования и физические свойства. Имеется большое количество исследований, объясняющих их различия. То, что нельзя объяснять «перемятость» угля в выбросоопасных зонах только близостью к нарушениям, понимают многие исследователи. Так, в работе [4] отмечается, что кроме силового разрушения угля необходимо учитывать рыхлость его надмолекулярной структуры в нормальных условиях.

По мнению авторов, нужно изучить возможные структуры угля в момент его образования и последующих изменений на стадии метаморфизма. Естественно, необходимо учитывать повышение метаноносности угля именно в выбросоопасной зоне.

Для прогнозирования выбросоопасных зон основным является вопрос о природе выбросоопасной зоны. Если выбросоопасная зона (внезапный выброс) образуется в результате случайного сочетания ряда факторов и условий [3], то предварительное прогнозирование вообще невозможно. Если выбросоопасная зона представляет собой локальный участок пласта или его слоя с аномальной структурой (зависящей от его генезиса) угольного вещества, предрасположенного в определённых условиях к внезапному разрушению и выбросу, то тогда представляется возможным прогнозировать условия его образования во время торфонакопления.

Очевидно, последнее предположение более реально. Доказательством является применение на всех опасных пластах локальных способов прогноза и предотвращения внезапных выбросов. Эти способы разрабатывались в предположении, что по ходу движения выработки возможна встреча с такой выбросоопасной зоной. Практика показала также, что имеются определённые признаки, свидетельствующие о приближении к такой зоне.

Таким образом, имеющиеся представления о случайном характере внезапных выбросов в пределах пласта не позволяют прогнозировать локальные скопления угольного вещества с высоким содержанием метана.

Нерешённость проблемы природы формирования выбросоопасных зон предопределила современный уровень их прогнозирования. В соответствии с «Инструкцией по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа.» [5] к выбросоопасным относятся шахтопласты, на которых произошли внезапные выбросы или выбросоопасность которых установлена текущим прогнозом или прогнозом при вскрытии. При этом прогноз базируется на глубине залегания угольного пласта, природной газоносности угольного пласта, мощности угольного пласта, разрушаемости угля, количестве угольных пачек, а расчёт опасности производится по эмпирической формуле.

На этапе геологоразведочных работ, да и в горных выработках невозможно получить эти показатели, так как невозможно распространить характеристику угля в точке отбора пробы на окружающий массив пласта.

Авторами изучены условия внезапных выбросов в Воркутском месторождении. Установлено, что опасным является не количество угольных пачек, а наличие опасной пачки. Однако наличие такой пачки не всегда приводит к внезапному выбросу. Глубина также не играет существенной роли. Например, на шахте «Комсомольская» на уровне изогипсы 276 м в двух штреках произошёл 21 внезапный выброс. Мощность сажистого слоя угля в местах выбросов была от 0.4 до 1.6 м. Затем на уровне изогипсы269 м произошло 11 горных ударов. Восточнее первой серии внезапных выбросов на уровне изогипс666...-680 м и710...-720 м произошла ещё одна серия внезапных выбросов угля и метана на участке пласта, который был отнесён к особо выбросоопасным. Выбросы происходили из сажистой мягкой пачки угля мощностью 0.22-0.4 м.

На шахте №7 («Северная») произошло 12 внезапных выбросов в течение 1 месяца. Все выбросы произошли практически рядом на одной линии на изогипсе 430 м. Мощность сажистого слоя угля при выбросах была 0.7-1.0 м. В северной части шахтного поля шахты №5 (рядом с шахтой №7) произошло 99 внезапных выбросов. Все выбросы были, как и на шахте №7, в подготовительных выработках на уровне изогипсы 430 м. Очевидно, что здесь главным является не фактор глубины, а одинаковые условия торфонакопления и углеобразования.

Замеры показали, что скопления метана расположены в пласте неравномерно. На рис. 1 приведены замеры выделившегося метана (м³/т) из выбросоопасной пачки и неопасных пачек. Метаноносность выбросоопасной пачки изменялась от 3.3 м³/т (за местом внезапного выброса) до 103 м³/т. Метаноносность невыбросоопасных прочных пачек угля изменялась от 1.9 до 39.3 м³/т. Средняя метаноносность угля в пласте на участке длиной 185 м соответственно равна: выбросоопасного слоя 22 м³/т, прочных пачек

8.9 м³/т, по пласту 11,2 м³/т. По геологическим данным на шахте для расчёта принята метаноносность 19.3 м³/т.

Из-за отсутствия достоверных сведений о местонахождении выбросоопасных зон в пределах пласта на большом участке шахтного поля вынуждены осуществлять дорогостоящие и небезопасные мероприятия для предотвращения внезапных выбросов угля и газа, которые значительно снижают темпы проходческих работ. При выполнении локальных мероприятий существует большая доля вероятности газодинамических проявлений.

Разрушаемость угля, как и коэффициент крепости угля в условных единицах, определённый по керновым образцам с помощью прочностномера П-1, не могут дать объективной характеристики, необходимой для определения аномальной метаноёмкости угольного вещества вдали от места получения образца.

На стадии геологоразведки также используются такие показатели как выход летучих V^daf (%) и толщина пластического слоя угля у (мм) [5].

Выход летучих веществ углей понимается как смесь газообразных и парообразных продуктов, образующихся при нагреве 1 г навески угля без доступа воздуха до 850°–1000° С. Выход летучих веществ на безводное и беззольное состояние является, как и влага, классификационным параметром. Он закономерно уменьшается в ряду гуммитов с ростом степени метаморфизма: от 67% в бурых землистых углях (Б₁) до 1-2% в антрацитах.

Выход летучих веществ и показатель спекаемости дают представление только о химических свойствах, петрографическом составе образца и о степени восстановленности витринита в нём. О величине метаноносности эти показатели информации не дают.

Таблица 2 – Петрографический состав выбросоопасного слоя пласта «Мощного»

Для анализа петрографического состава выбросоопасного слоя были взяты четыре пробы в подготовительном забое и изготовлены аншлиф-брикеты, которые изучались в соответствии с ГОСТ 9414–74. Лабораторные анализы производились в лаборатории ПечорНИИпроект. Анализ шлифов показал, что процентное содержание минеральных примесей изменяется от 3 до 21% (табл. 2).

В трёх пробах из четырёх органическое вещество составляет не менее 94%.

Среди минеральных включений преобладают глинистые вещества, которые имеются во всех пробах. В пробе могут отсутствовать включения кварца или карбонатов. Сульфиды железа оказались только в одной пробе.

Таблица 3 – Микрокомпонентный состав выбросоопасного слоя пласта «Мощного»

Микрокомпонентный состав чистого угля в пробах изменяется в широких пределах (табл. 3).

По содержанию гелифицированных микрокомпонентов (V_t) уголь в первой и в третьей пробах относится к дюрено-клареновому, во второй к кларено-дюреновому, а в четвертой к клареновому. Процентное содержание спор, кутикул и смоляного вещества не превышает 5%. Отражательная способность витрена во всех пробах 10R (84–86%).

Процентное содержание (табл. 3) основных микрокомпонентов, таких как витрен V_t и фюзен F, которые определяют основные физико-механические и технологические свойства угольного вещества и пласта, как материала, изменяется в широких пределах на соседних участках. От объёмов угольного вещества с различным содержанием этих простых ингредиентов зависит и пористость, и прочность, и метаноносность выбросоопасного слоя или его ёмкостные свойства.

Изменение соотношения между взрывами и выбросами метана авторы видят в изменении геолого-генетических характеристик угля в пластах при увеличении глубины горных работ. На шахтах прошли горизонты, опасные по внезапным выбросам. Ниже этих горизонтов будут встречаться только локальные участки пласта с повышенным содержанием метана [6]. Для обеспечения взрывобезопасности в шахтах необходим прогноз этих локальных скоплений метана, который будет выбрасываться в шахтную атмосферу.

Современный уровень изученности строения вещества, особенностей его синтеза из различных компонентов, влияния условий на энергетическое состояние и образование молекулярной и надмолекулярной организаций, позволяет решить проблему прогноза мест формирования выбросоопасных зон в угольном пласте и разработать эффективные способы обеспечения безопасности при проведении горных выработок. Такая методика разрабатывается в ШИ ЮРГТУ (НПИ).

В результате разнообразия условий, в которых происходило торфонакопление, сформировались угольные пласты с различным вещественно-петрографическим составом. Это различие наблюдается на микро и на макроуровне. Опыт показал, что выбросоопасным углём, а значит и с большим содержанием метана, является мягкий сажистый уголь. Из-за локальных участков с большим содержанием метана на практике весь слой или пласт такого угля относят к опасному по внезапным выбросам. Однако не на всём участке пласта, на котором имеется мягкий слой угля, происходят внезапные выбросы угля и газа. По площади пласта наблюдается выклинивание сажистого слоя, замещение его углистым сланцем, аргиллитом, расположение его выше или ниже пропластка аргиллита или разлинзованного слоя угля. Сажистый уголь расположен «гнёздообразно» по площади пласта. Нами установлено 5 вариантов структуры угольного пласта на площади шахтного поля (рис. 2).

В первом случае (рис. 2а) угольный пласт состоит из крепкого полосчатого полублестящего угля. Во втором случае (рис. 2б) в угольном пласте имеется слой мягкого угля, который залегает выше породного прослойка. В третьем случае мягкий слой угля расположен ниже породного прослойка (рис. 2в). В четвёртом случае (рис. 2г) мягкий слой залегает между слоями крепкого угля. В пятом случае (рис. 2д) мягкий слой угля отсутствует, а между слоями крепкого угля находится пропласток углистого аргиллита или аргиллита. На некоторых участках пласта выше или ниже слоёв с мягким сажистым углём находятся рассланцованные и разлинзованные слои угля. Внезапные выбросы происходят при четвёртом варианте расположения слоёв угля (рис. 2г).

Анализ разрезов пласта «Мощного» в Воркутском месторождении показал, что слои аргиллита, углистого аргиллита и сажистого угля чередуются по простиранию пласта. На отдельных участках сажистый уголь залегает в виде линз среди мягкого размокающего аргиллита.

Проблема обеспечения метанобезопасности на шахтах продолжает оставаться актуальной. В последние годы уменьшилось количество и мощность внезапных выбросов угля и метана. Вместе с тем увеличилось количество взрывов метана с большими человеческими жертвами и затратами на ликвидацию последствий. С увеличением глубины горных работ изменились геолого-генетические характеристики угольного вещества в пластах. Формирование скопления метана в пласте это природное явление. Для предотвращения взрывов метана в шахтах необходим новый подход к прогнозированию месторасположения участков пластов с аномальным или повышенным содержанием метана. Аномальное содержание метана на локальных участках пластов является результатом неодинаковых геолого-генетических условий торфонакопления и углеобразования.

Литература

1. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. – М.: Донбасс, МакНИИ. 1989. 319 с.
2. Черницын Н. Н. Рудничный газ и условия его выделения. СПБ. 1917.
3. Ходот В. В. Внезапные выбросы угля и газа. – М.: ГНТИ. 1961. 363 с.
4. Малышев Ю. Н. Техногенная геодинамика: Кн.1. Аналитический обзор. Актуальные проблемы/ Сагалович О.И., Лисуренко А.В. – М.: Недра. 1996. 430 с.
5. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа, в шахтах Российской Федерации. РД 05-350-00. Утверждено Постановлением Госгортехнадзора России от 04.04.2000 № 14.
6. Колесниченко Е. А. Генетическая теория формирования и прогнозирования выбросоопасных зон в угольных пластах. Уголь. 2000. – № 9. – С. 51–53.