Источник: Е.Н. РУДНЕВ, доктор геол. Наук (Академия горных наук Украины) К вопросу борьбы с метаном на угольных шахтах Украины // Уголь Украины. -2009. - №1.-с.40-46
При добыче каменного угля, особенно на больших глубинах, присутствие метана в горных выработках неизбежно. Другое дело, сколько его будет по объему в процентном отношении в воздухе
Принято считать, что взрыв в нормальных условиях (температура 20 °С, давление 101,3 кПа (1 атм), начальное содержание кислорода в воздухе по объему 20,95 %, азота 78,09 %) может произойти, если метана в воздухе станет 5 % и более и существует источник, например, искра. Сегодня с учетом объема метана 5 % строятся, по существу, все защитные мероприятия на шахтах.
В последнее время после крупных аварий горняки и ученые высказывают предположение, что если условия изменились и кроме метана в газовоздушной среде горной выработки присутствуют и тяжелые углеводороды (что бывает очень часто!), то взрыв может произойти и при содержании газовой смеси гораздо меньше 5 %, что и попытаемся научно доказать. Но это только одна сторона проблемы, а вторая - всецело связана с тектоникой угольных месторождений.
Однако все по порядку. Практика показывает, что при повышенном содержании метана в выработке источники взрыва могут быть самые разнообразные; фрикционное искрение при работе отбойного молотка в разрезной печи (шахта "Молодогвардейская" ПО "Краснодонуголь", 10.08.1979 г,), нарушение правил проветривания и невыполнение пылевзрывозащитных мероприятий (шахта им. Димитрова ПО "Красиоармейскуголь", 03.02.1985 г.), трение металла крепи и пород, содержащих включения пирита FeS2 (шахта "Чайкино" ПО "Макеевуголь", 16.05.1987 г.), взрывание открытых зарядов В В в выработанном пространстве лавы (шахта "Славяносербская" ПО "Луганскуголь", 03.09.1994 г.) и т.д. Вентиляция везде работала, но справиться она уже не могла. Ясно одно: если бы содержание метана было в норме, никаких аварий на вышеназванных шахтах не было бы, т. е. главное всетаки - метан, его содержание, именно он и является основным, определяющим.
Безусловно, в последние годы на шахтах Украины вопросам проветривания и разгазирования выработок, строгого выполнения пылезащитных мероприятий, контроля содержания метана в выработках по специальным датчикам, проведения депрессионной и газовой съемок стали уделять самое серьезное внимание. Все вроде бы под контролем. На шахте им. Засядько в Донецке, например, внедряется система сейсмического мониторинга напряженно-деформированного состояния горного массива (по аналогии с шахтами Польши, где эти системы работают давно), замер содержания метана в горных выработках фиксируется ультрасовременными высокоточными датчиками. Однако эти действия не всегда смогут защитить от внезапного поступления в выработку больших объемов метана и тяжелых углеводородов. Если взрыв не происходил при отсутствии источника, что было на шахтах им. Засядько (15.09. 1983 г., 18.06.1996 г. и 20.09.2006 г.), им. Скочинского (30.01.2000 г. и 27.11.2001 г.), им. Карла
Маркса (26.04.1999 г.), им. Гаевого (15.10.2002 г.), то люди погибали от травм и удушья.
В данной статье не будем касаться разбора источников взрыва метана на разных шахтах, обойдем стороной и слоевое скопление метана в подготовительных тупиковых выработках (бывает до 40 %), что встречается довольно часто и приводит при наличии источника к взрыву, обусловленному прежде всего несовершенством вентиляции. Не будем детально анализировать и суфлярного, т. е. локального, постоянно текущего истечения газа из трещиноватых углей, миграции его в горную выработку, причем эти трещины и отверстия хорошо видны невооруженным глазом, а движение газа иногда в очень больших объемах сопровождается шипением (при наличии воды - "мокрый суфляр"). С этим бороться гораздо легче. Главная задача - выяснить, почему происходят залповые выбросы метана в горные выработки, с чем это связано и каким именно образом можно спрогнозировать подобные выбросы? Найдя ответы на эти довольно непростые вопросы, можно разработать и рекомендации по сокращению на шахтах аварий, связанных с метаном.
Были проанализированы 46 аварий, спровоцированных метаном, которые произошли на шахтах Донбасса и Львовско-Волынского угольного бассейна за период 1979 - 2008 гг. Из 46 аварий восемь произошло на шахте им. Засядько, четыре - на шахте им. Скочинского, три - на шахте "Краснолиманская", по две на шахте "Южнодонбасская" № 1, "Суходольская-Восточная", им. Карла Маркса и им. Гаевого, остальные 23 аварии - на шахтах "Молодогвардейская", "Горская", "Кочегарка", им. Димитрова, №1 "Новогродовская", им. Калинина, "Ясиновская", "Чайкино", "Комиссаровская", им. Поченкова, "Кондратьевская", "Золотое", № 13-бис, "Славяносербская", "Рассвет", "Петровская", им. XIX съезда КПСС, им. Кирова (ГП "Луганскуголь"), им. Баракова, им. Кирова (ГП "Макеевуголь"), "Красноармейская-Западная", "Юбилейная", иЛесная" (ГП "Львовуголь").
Согласно заключению комиссий, расследующих причины вышеуказанных аварий, они распределились следующим образом: внезапный выброс метана в горную выработку, без взрыва - 6, просто выброс метана и угля, без взрыва - 1, взрыв метана (метана и угля, метана и угольной пыли) – 39 (все без исключения 46 аварий с человеческими жертвами). Исследования показывают, что аварии произошли в строго определенные моменты времени, характеризующиеся экстремальными явлениями в межпланетной системе "Земля Луна - Солнце", что существенно влияет на тектонику. Напрашивается вывод: причиной всех аварий явилось содержание опасного газа в горных выработках выше нормы. Ну а как происходило это накопление ^ постоянно или внезапно, залпом - вопрос по меньшей мере спорный. Принимая во внимание вышеуказанные экстремальные явления, увязав их с геологическим строением угольных месторождений, где произошли аварии, логично предположить, что во всех случаях имел место, скорее всего, внезапный залповый выброс метана.
Подобная версия не только имеет право на существование, но и является наиболее стройной, научно обоснованной. Попытаемся доказать это, проанализировав ситуацию более подробно.
После тщательного изучения горно-геологических, инженерно-геологических и гидрогеологических условий полей указанных шахт выяс-нилась одна общая тенденция, которая объединяет все без исключения шахты, а именно, очень сложная и разнообразная тектоника. Здесь широко распространены надвиги и сбросы с многочисленными апофизами, взбросы, шарьяжи, флексуры, пликативные (т. е. без разрыва сплошности пластов) дислокации в виде складок, мелкоамплитудные дизъюнктивы (т. е. с разрывом сплошности пластов, с амплитудой смещения не более 1 м). Тектоника как первичная классическая, так и вторичная (гравитационная), неотектоника - многовекторная, чрезвычайно разнообразная, с множеством специфических особенностей. Первичная тектоника - это складчатые разрывные деформации (дислокации) слоев горных пород, порожденные медленными колебательными движениями, основным носителем которых был мощный источник энергии – эндогенные (внутренние) процессы Земли, т.е. выделение внутренней теплоты нашей планеты в далекие геологические эпохи. Для первичной тектоники характерны два основных вида движения блоков земной коры - вертикальные и горизонтальные, хотя на первых порах развития тектоники как науки главными считались исключительно вертикальные движения, формирующие мощные очаги сжатия и растяжения горных пород. Даже горизонтальные перемещения блоков, т.е. тектоника сжатия, обусловленная действием тангенциальных сил, при которой образуются складки, разрывы, сдвиги, надвиги, порождались, как полагают некоторые тектонисты (академики Н. С. Шатский [1], В. В. Белоусов [2, 3, 4], В. Г. Бондарчук [5, 6] и др.), вертикальными перемещениями блоков и являлись вторичными. Существует 13 гипотез образования первичных тектонических структур, но главное то, что первичная тектоника порождает в дальнейшем на угольных шахтах ряд очень острых проблем и служит фундаментом для развития вторичных дислокаций.
Вторичный тектогенез - это образование в верхних частях земной коры тектонических структур, а именно, тех же складок, надвигов, сбросов, взбросов и т.п. под действием преимущественно сил гравитации, а также техногенной деятельности человека, а в нашем случае - разработки угольных месторождений. Сегодня имеем стойкое и постепенное уменьшение гравитационной постоянной и соответственно ослабление гравитации, расширение Вселенной, которое получило экспериментальное подтверждение в масштабе Галактик (красное смещение линий их спектра) [7]. Вторичный тектогенез под действием силы тяжести обусловлен в первую очередь реакцией пластов горных пород на вертикальные движения земной коры и образует в верхнем слое коры гравитационные потенциалы.
Группа французских и американских геологов, исследуя в 2006 - 2008 гг. наиболее активный итальянский вулкан Этна, вулкан Арти-Але в Эфиопии (вблизи Аддис-Абебы) и другие, пришла к выводу, что именно сила гравитации определяет активность вулканов. Если имеем фазу полной Луны, то обязательно фиксируется максимальное извержение вулканов, максимальная их активность, устойчивый спад уровней подземных вод в скважинах, максимальные расходы как подземных вод верхних горизонтов, так и глубоких, артезианских, максимальные концентрации в воде химических элементов, газов.
В то же время именно при полнолунии наблюдается максимальный градиент гравитации, максимальное взаимодействие двух материальных масс - Земли и Луны, максимальные вертикальные движения блоков земной коры, наибольшие проявления вторичного тектогенеза, максимальные трещины, деформации. Наиболее ощутимые и сильные проявления вторичного тектогенеза в виде вторичных сбросов, надвигов, сдвигов, мелкоамплитудных дизъюнктивов и пликативов тоже следует ожидать именно в периоды экстремальных фаз Луны - полнолуний и новолуний.
Уменьшение гравитации приводит к постоянно протекающим процессам вторичного тектогенеза независимо от того, разрабатывается или нет месторождение. В настоящее время, например, за счет вторичного тектогенеза Скандинавский полуостров поднимается со скоростью 10 мм/г, а южное побережье Северного моря (Дания, Голландия, Бельгия) и район Венеции в Италии опускаются со скоростью 1 мм/г. Это происходит независимо от техногенной деятельности человека. Угольные разработки и изменение уровней подземных вод при эксплуатации шахт приводят не только к перераспределению горного и горностатического давления, но и создают второй важный фактор возникновения (или существенного усиления) вторичного тектогенеза. И это чрезвычайно важно и обязательно необходимо учитывать.
Любой породный массив до начала угольных разработок находится в равновесном состоянии под действием суммарного поля напряжений, обу-словленного массой горных пород шахтного поля, боковым распором и региональными тектоническими напряжениями.
При проведении горных работ равновесие нарушается. Вблизи горных выработок происходит локальное перераспределение параметров поля напряжений. На участках, где они достигают граничных значений, возникают разрушения или деформации горных пород. Процесс изменения напряженно-деформированного состояния протекает до тех пор, пока в горном массиве снова не установится равновесие. При этом наиболее интенсивно деформируются, изменяют свои пара метры для миграции воды и газов те элементы, которые согласуются с региональным полем тектонических напряжений. Подобным образом получается вторичный тектогенез в начальной стадии. Однако на этом тектонические метаморфозы не заканчиваются. В процессе эксплуатации той или иной шахты в Донбассе и Львовско-Волынском бассейне напоры подземных вод карбонрвого водоносного комплекса понижаются на 400 - 1200 м. Это в свою очередь приводит к существенному нарушению вышеупомянутого равновесного напряженно-деформированного состояния породного массива, образованию значительных градиентов гравитации, фильтрации.
Однако самое главное заключается в том, что в зонах тектонических нарушений, особенно там, где есть смещение пластов, существенно возрастают трещиноватость пород, их пористость, проницаемость. Именно по этим зонам, которые представлены либо широкими полосами дробления и брекчиями трения, либо узкими трещинами с отполированными стенками так называемыми зеркалами скольжения, происходит разгрузка, миграция вверх высокоминерализованных и высоконапорных вод глубоких горизонтов (в Донбассе минерализация карбоновых вод доходит до 110,3 г/л, а во Львовско-Волынском бассейне девонских вод - до 184 г/л), а также метана, поступающего из угольных пластов, которые пронзаются тектоническими нарушениями. Если при этом лавой или какойлибо другой горной выработкой подработано или (того хуже) пересечено подобное тектоническое нарушение либо его апофиза (ответвление), могут возникнуть очень серьезные проблемы.
Как правило, в зонах сброса, т. е. по обе стороны от плоскости сместителя на 1 - 20 м, по геофизическим данным проницаемость пород как минимум на два порядка больше, чем вне этой зоны. Повышение проницаемости характерно и для взбросов, сдвигов, флексур. В отношении надвигов следует отметить следующее. Лежачие крылья надвигов в Донбассе в полосе от 10 до 200 м от плоскости сместителя ниже зоны выветривания (т. е. ниже 100 - 120 м) являются экранами для газов и воды, а висячие имеют проницаемость на 2 - 3 порядка больше. Кроме того, разгрузка высокоминерализованных и высоконапорных вод глубоких горизонтов по тектоническим нарушениям приводит при наличии глинистых частиц в породе, что наблюдается почти всегда, к еще большему увеличению проницаемости в подобных зонах, т.е. как минимум еще на два порядка.
Таким образом, выстраивается очень четкая картина. Однако имеет смысл более подробно рассмотреть проницаемость пород, особенно при изучении условий накопления и миграции метана.
Способность горных пород пропускать жидкости и газы характеризуется коэффициентом проницаемости, который широко применяется в нефтяной геологии. Коэффициент проницаемости определяется только размером частиц породы и взаимным расположением этих частиц, что является основным для определения пористости среды. Для сравнения: коэффициент фильтрации зависит не только от пористости пород, но и от вязкости жидкости, ее плотности, температуры, поскольку с изменением температуры меняется вязкость жидкости.
Коэффициент проницаемости измеряется в дарси (Д). Это проницае-мость такой среды, в которой при перепаде гравитационного потенциала в 1 Па на длине 1см и коэффициенте вязкости, равном 1 сП (1сП = 0,01 г/(см-с)), скорость фильтрации составляет I :м/с. для объяснения физической сущности дарси используются принципы гидравлики, гидрогеологии. Численно 1Д= 1,02-8 см ; для воды при температуре 20 °С коэффициент проницаемости (в дарси) примерно равен коэффициент у фильтрации (м/сут). Для метана картина несколько i ля. Если принять относительную плотность воздуха за 1, о относительная плотность метана составит 0,5546. Растворимость метана в воде при давлении 1ат и температуре 15 0С достигает 49,5 см3 /л. Масса 1 л метана при 0 °С и давлении 760 мм составляет 0,7168 г; на глубинах 1000 м и более, где расположены горные выработки многих шахт Донбасса, температура и давление другие.
В угольных пластах, даже на глубинах 1000 м и более, при соответст-вующих условиях может быть гравитационная и упругая вода. Если преобладающей формой режима угольного пласта будет энергия, формирующаяся за счет упругих деформаций пласта и сжатия жидкости и газа, то режим пласта будет упругим.
Главную роль в угольных пластах играют абсорбированный и свободный газы, образующие следующий ряд: гелий, водород, аргон, азот, кислород, метан, углекислый газ, тяжелые углеводороды (в возрастающем порядке). Чем больше давление и ниже температура, тем больше возрастает количество газов, сорбируемых углем. В шахтах и вмещающих породах газы могут находиться в свободном состоянии в трещинах и порах угля и пород, в состоянии твердого молекулярного раствора (адсорбция), на поверхности твердого вещества в сконденсированном состоянии (физическая адсорбция), в состоянии химической взаимосвязи с молекулами твердого тела (хемосорбция), в виде непрочных химических соединений (только в угле и при больших давлениях). В процессе метаморфизма в прошлые геологические эпохи в углях образовались огромные количества метана, причем тем больше, чем выше степень метаморфизма, основными двигателями которого были тектонические движения, давление, температура и химически активные вещества.
Несмотря на то что в угольных пластах адсорбированных и свободных углекислых газов и тяжелых углеводородов больше, чем метана, именно метан наиболее опасен и коварен для шахтеров. Он мигрирует первым, его всегда больше и он самый легкий из предельных углеводородов, а за ним - тяжелые углеводороды. Взрыв подобной смеси при наличии источника может произойти в любой момент в зависимости от состава смеси, процентного содержания в ней не только метана, но и тяжелых углеводородов.
Тяжелые углеводороды - это газообразные гомологи метана, т.е. вещества, сходные по химическим свойствам и отличающиеся друг от друга по составу молекул на одну или несколько групп атомов СН2. Если метан имеет химическую формулу СН4, то ближайший к нему из гомологов этан (С9Н5), затем идут пропан (СзН8) и бутан (С4Н10). Еще дальше гомологический ряд метана представлен жидкостями - пентаном, гексаном, гептаном, октаном, нонаном и деканом. Это предельные или насыщенные углеводороды, поскольку они насыщены атомами водорода - очень важного с точки зрения взрыва газовой смеси в горных выработках шахт - до предела и дополнительное присоединение этих aтомов к углероду становится невозможным. Остается лишь процесс замещения атомов водорода (например, атомами хлора) или разрушение молекулы в результате взрыва при наличии источника (искры).
Еще один очень важный атом - углерод, в гомологах метана он всегда остается четырехвалентным; в то же время, как показал еще А. М, Бутлеров [8], порядок строения атомов существенно влияет на свойства органических веществ, имеющих одинаковый состав и одинаковый молекулярный вес. Например, тяжелый углеводород бутан и изобутан (оба C4H10) имеют не только разные точки кипения, но и разный удельный вес, притом, если взрыв бутана при искре возможен при его содержании в рудничном воздухе 1,7 %, то изобутана - 1,8 %.
Непредельный углеводород этилен - бесцветный газ, имеет молекулярную формулу С2Н4, содержит не один, как метан, а два атома углерода, который по-прежнему остается четырехвалентным. С воздухом (кислородом) этилен образует смеси, которые взрываются с гораздо большей силой, чем смесь метана с воздухом (кислородом); следовательно, увеличение количества атомов углерода на 11 % изменило электронную и структурную формулу газа, обусловило наличие в его молекуле двойной связи, при которой атомы углерода связаны двумя электронными парами, образовавшимися вследствие выделения каждым атомом по два электрона в состав общих электронных пар.
Из всего вышеизложенного следует, что тяжелые предельные углеводороды (этан, пропан, бутан), мигрируя вместе с метаном в горную выработку, существенно снижают процентное содержание газовой смеси, при которой возможен взрыв. Это происходит не только за счет увеличения атомов водорода в тяжелых углеводородах, но и атомов углерода [9], способных соединяться друг с другом и образовывать множество взрывоопасных органических веществ, метаморфоз электронной и структурной форм связи атомов, реакций химических соединений.
Опытами и экспериментами установлено [10], что если для метана нижним концентрационным пределом взрывания является 5 %-ное, а верхним 15 %-ное содержание, то для этана эти параметры соответственно равны 3,2 и 12,5 %, для пропана - 2,3 и 9,5 %, для бутана - 1,7 и 8,5%.
Рассмотрим газовую смесь. Объемная доля, %: метана 94, этана - 3, пропана - 2, бутана - 1. Эта смесь внезапно выбрасывается в горную выработку и соединяется с воздухом. Определим нижний и верхний пределы взрываемости данной смеси. Используя закон аддитивности парциальных объемов Амаги, в соответствии с которым общий объем газовой смеси равен сумме парциальных объемов ее компонентов, и приняв во внимание, что парциальный объем каждого компонента смеси равен общему объему, умноженному на молярную (объемную) концентрацию его в смеси, получим, что нижний предел взрываемости указанной смеси составляет 4,33 %, а верхний - 14,19 % (сумма парциальных объемов отдельных компонентов в сложном газе всегда равна 100 %, а объемные проценты для газов, подчиняющихся закону Авогадро, равны молярным процентам).
Однако нижние и верхние пределы для метана, этана, пропана и бутана изначально устанавливали [10] путем опытов и экспериментов для температуры 20 "С и давления J 01.3 к Па, В глубоких шахтах Донбасса метан поступает из мест, где горное давление примерно 220 кг/см2, т. е. 22 МПа (напоры подземных вод карбона на действующих шахтах снижены как минимум на 1000м, т.е. гидростатического взвешивания пород нет, происходит только увеличение нагрузки при температуре пород выше 40 °С). Таким образом, в горных выработках шахт Донбасса существуют условия, заметно отличающиеся от указанных. Для учета шахтных реалий можно воспользоваться некоторыми наработками, изложенными в работах [11, 12]. Как в этих работах, так и в других, касающихся горения и взрыва, под стехиометрической следует понимать газовую смесь, продукты которой окислены до СО? и ЕЬО. В произвольной углеводородной смеси
СxБу + 0.25 (Ах + у)02 = x С02 +0,5у Н20
молярная доля топлива С- определяется зависимостью
Cf = 4/(4x+у + 4).
Эта зависимость характеризует концентрационные пределы реагирования сме-си, т.е. нижний и верхний пределы ее взрывания.
Мерой взрывоопасности газовоздушной смеси является критическая энергия инициирования процесса горения или детонации. Чем меньше энергия иницииро-вания, тем более опасна смесь. В результате проведения опытов установлено [11,12], что как на нижний, так и на верхний предел взрыва (детонации) отдельного газа или смеси влияют несколько факторов: содержание кислорода и азота в смеси при переходе ее из одной среды в другую, температура, начальное давление смеси и его изменения. Для этана критическая энергия инициирования детонации смеси уменьшается с 7,70104 Дж для смеси "этан + воздух" до 0,54 Дж для смеси "этан + 5,5 O2" [12]. Увеличение начального давления газа существенно снижает критиче-скую энергию инициирования детонации (а значит, и нижний предел), то же самое относится и к температуре. Однако + 48 °С, что может быть в горной выработке на глубине свыше 1000 м, практически на процесс не повлияет. Скорость детонации на первом этапе (нижний предел) с увеличением концентрации газа Су увеличивается, а на втором этапе (верхний предел) уменьшается.
Критическая энергия инициирования детонации тем меньше, чем больше на-чальное давление, под которым находилась смесь, и чем меньше азота в воздухе (изначальный воздух 02 +3.76N2). Следовательно, чем больше начальное давление смеси, чем меньше в воздухе выработки азота, тем опаснее смесь.
Принимая во внимание результаты [11,12], можно сделать вывод, что при вне-запном выбросе вышеназванной газовой смеси (объемная доля, %: метана - 94; этана - 3; пропана - 2; бутана -1) из породного массива, где давление было 22 МПа, в горную выработку, где давление 820 мм рт. ст. (т, е. примерно 1атм) и есть воздух (кислорода 02 более 20 % + 3,76 N2), нижний предел детонации газовоздушной сме-си снижается как минимум до 2,8 %. Если в горную выработку выбрасывается зна-чительный объем газовой смеси, то при наличии источника детонация сработает при верхнем пределе, а если объем смеси будет незначительный» — при нижнем пределе.
Считается, что горные породы, коэффициент проницаемости которых состав-ляет единицы или десятые доли дар*» си, являются хорошо проницаемыми, по ним метан или вода мигрирует очень легко и быстро. Если же коэффициент проницае-мости составляет сотые доли дарси, то проницаемость пород считается слабой, хотя миграция метана или воды и в этом случае вполне возможна. Коэффициент прони-цаемости 0,001Д и меньше есть тот предел, когда передвижение метана и воды практически не происходит.
Анализ названных 46 аварий на шахтах Украины позволил сделать вывод, что залповые поступления метана в горные выработки, повлекшие за собой тяжкие по-следствия, обусловлены, скорее всего, либо непосредственным пересечением горной выработкой тектонического нарушения (или его ответвления), имеющего связь хотя бы с одним угольным пластом, либо подработкой этого тектонического нарушения (или его ответвления) таким образом, что зона опасных сдвижений пород сомкнулась с хорошо проницаемой дизъюнктивной зоной. Зоны опасных сдвиже-ний пород на полях угольных шахт Украины получены на основе обработки геофи-зических данных и проведения В. Ф. Макляком, канд. геол.-минер. наук в Восточ-ном Донбассе (Россия) специальных гидрогеологических работ с бурением скважин на горные выработки и наблюдениями за положением промывочной жидкости.
Ведущая роль тектоники в рассматриваемом вопросе подтверждается сле-дующим. Из 46 указанных аварий 34 произошли в периоды полнолуния и новолу-ния или же сразу на первые-вторые сутки после этих экстремальных фаз Луны. Но именно в эти периоды фиксируются максимальные градиенты гравитации, макси-мальные пористость и проницаемость пород на Земле, что наиболее ярко проявля-ется в ослабленных зонах породных массивов, т.е. в зонах тектонических наруше-ний. Остальные 12 аварий состоялись в неблагоприятные годы с точки зрения воз-действия гравитации и тектоники, связанные с четырехлетними циклами изменения скорости вращения Земли, чередующимися 30-33-летними циклами, обусловлен-ными смещением полюса вращения Земли, и 11-летними циклами солнечной ак-тивности (солнечные пятна, протуберанцы, хромосфер: вспышки). В неблагоприят-ные годы градиент гравитации также повышается со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Следует также отметить, что самые мощные в Донбасса газоконденсатные и нефтяные проявления, "мокрые суфляры" приурочены к Лисичанскому региону, где тектоника самая сложная во всем бассейне: Северная зона мелкой складчатости свя-зана с крупнейшим Северодонецким надвигом и Главным надвигом Донбасса, ко-торый является краевым глубинным разломом и имеет фантастическую амплитуду смещения 4000 м. Газоконденсат существенно отличается от метана и состоит из низко- и высококипящих жидких водородов. При добыче и снижении давления, темпер, из него выпадает светлая или соломенно-желтого цвета жидкость, называе-мая конденсатом. По химическому составу конденсат представлен парафино-выми (метановыми), нафтеновыми и ароматическими углеводородами, со-держит очень мало серы (0,001 - 1 %). В северном Донбассе, на шахтных полях, тектоника очень своеобразная: Волчеярские и Томашевские купола (дебит газа из скважин 10-15 тыс. м /сут), Кременские купола (дебит на песчаник до 100 тыс. м /сут), Лисичанская брахиантиклиналь, мощные трещиноватые зоны - в ответвлениях Северодонецкого надвига.
Газоконденсатные залежи и нефтепроявления встречаются и на других шахтах Донбасса, но все они связаны с тектоникой. Так, на шахте "Славяносербская" - с дизъюнктивами, на шахтах "Самсоновская-Западная" - с апофизами крупного дизъюнктива, "Ирмино" - с флексурой, "Карбонит" - со складками и дизъюнктивами, "Горская" - со складкообразным изгибом пласта, "Комсомолец" - с флексурой и т. д.
В некоторых случаях с нефтепроявлениями могут быть связаны поступления в горные выработки шахт не только метана и его гомологов, но и непредельных углеводородов, в частности, вышеупомянутого этилена, пропилена и бутилена, что еще больше осложняет ситуацию.
С учетом вышеизложенного для предупреждения на шахтах аварий, связанных с метаном, разработаны следующие рекомендации:
1. Принимая во внимание, что горные работы в настоящее время на многих шахтах Донбасса проводятся на значительных глубинах с использованием геологических данных разведки и доразведки 20 - 25-летней давности, которые существенно изменились вследствие техногенеза и ряда природных факторов, а значит, совершенно не отображают реальной действительности, необходимо установить с помощью бурения скважин или геофизических работ сегодняшние особенности нарушенной шахтами тектоники. Если у действующей шахты есть соседка – ликвидированная шахта, то и она значительно повлияла на общую тектоническую картину. При этом главное внимание следует уделять;
• глубинным разломам и зонам крупных тектонических разрывов, особенно участкам их искривлений или соединений с пластами песчаников, известняков, углей;
• крутым крыльям складок и зонам перехода к пологим участкам;
• зонам повышенной трещиноватости пород по периферии сдвигов;
• флексурам и их апофизам;
• сводам антиклинальных прогибов;
• вторичным сбросам и их ответвлениям;
• вторичным мелкоамплитудным дислокациям (амплитуда смещения до 1 м), секущим угольные пласты.
Указанные опасные зоны должны быть установлены в первую очередь. В дальнейшем вследствие существенной интенсификации на шахтных полях вторичного (гравитационного) тектогенеза, увеличения проницаемости пород в ослабленных зонах необходимо проводить постоянный мониторинг состояния тектоники с помощью исключительно геофизических методов разведки (вертикальное электрическое зондирование - глубина исследований до 100 м, зондирование становлением поля в ближней зоне или сейсморазведка - глубина исследований 400 м и больше). Такие мероприятия будут способствовать своевременному выявлению опасных по накоплению метана и тяжелых углеводородов участков.
2. На подобных участках следует пробурить специальные скважины для отвода газов.
3. Если на шахтном поле тектонические нарушения оконтурены, но не опробованы на газоносность, не разгазированы (при необходимости) скважинами, то горные работы следует проводить только при условии выполнения определенных требований. В частности, при проходке лав они должны быть остановлены от тектонического нарушения (или его ответвления) на расстоянии по нормали к плоскости сместителя нарушения, которое превышает величину зоны опасных сдвижений пород и составляет в среднем: в Западном Донбассе 20 т, в Центральном Донбас-се 30 т, в Восточном Донбассе 40 т, где т - мощность вынимаемого угольного пласта. Для одиночных горных выработок высотой Я - соответственно 8Н, ЮН и 12Япо нормали к плоскости сместителя. Если вместо тектонического нарушения фигурирует хорошо проницаемая трещиноватая полоса, гидравлически связанная с нарушением, отсчет следует вести от границы этой полосы. Величину зоны опасных сдвижений пород для каждой конкретной шахты надо уточнять по результатам геофизических и специальных гидрогеологических работ.
4. В период полнолуния, новолуния и неблагоприятных с точки зрения гравитации и тектоники годов следует соблюдать особую осто-рожность при проведении горных работ. Ближайшие неблагоприятные годы: 2009,2013,2017,2021,2024, 2025. Таблицы фаз Луны, ее перигеи и апогеи рассчитаны заранее и предоставляются астрономическими обсерваториями (фазы Луны от координат местности не зависят).
Вышеуказанный комплекс защитных мероприятий является минимально необходимым и оптимальным, поскольку устраняет главное - очаг опасности. Ориентировка же защитных мероприятий исключительно на использование беспрерывного сейсмического мониторинга состояния горных массивов на шахтном поле далеко не всегда даст желаемый результат, так как этот способ является вспомогательным, очаг опасность ведь остается. Безусловно, иметь на шахте сейсмическую службу и полезно, и нужно. Однако она не решит всех проблем. Постоянно ведущийся в Японии сейсмический мониторинг напряженно-деформированного со- стояния массивов горных пород для предсказания землетрясений еще ни разу не решил однозначно задачу, ибо все обстоит гораздо сложнее.
Литература
1. Шатский Н. С. Избранные труды: В 3-х т. - М.: Изд-во Академии наук СССР, 1965.
2. Белоусов В. В. Основы геотектоники. - М.: Недра, 1989.
3. Белоусов В. В. Структурная геология. - М.: Изд-во МГУ, 1986.
4. Белоусов В. В. Неоднородность тектоносферы и развитие земной коры. - М.: Недра, 1986.
5. Бондарчук Г. В. Движение и структура тектоносферы (Ос- новы теории строения земной коры). - К.: Наук, думка, 1970.
6. Бондарчук Г. В. Закономерности развития региональной тектоники Украины. - К.: Наук, думка, 1983.
7. Геологический словарь: В 2-х т. Гравитация / Под. ред. К. Н. Паффенгольца. - М.: Недра, 1973. - Т. 1.
8. Бутлеров А. М. Сочинения. В 2-х т. Введение к полному изучению органической химии. - М.: Изд-во Академии наук СССР, 1953. - 2 т.
9. Васильев А. А., Панаев А. В. Образование углеродных кластеров в волнах горения и детонации газовых смесей // Физика горения и взрыва. - 2008. - № 3 (СО РАН, г. Ново- сибирск).
10. Стаскевич Н. Л, Севериней Г. И., Вигдорчик Д. Я. Справочник по газоснабжению и использованию газа. - Л.: Недра, 1990.
11. Васильев А. А. Околокритические режимы газовой детонации: Авто-реф. дис... доктора физ.-мат. наук: 00.00.09. - Новосибирск, 1995.
12. Васильев А. А. Энергетические аспекты инициированиябытовых газов // Физика горения и взрыва. - 2008. - № 1.