Источник: Статья написана для Международной конференции проходившей в 1999 году в Донецком государственном техническом университете, и опубликована в книге "Современные представления природы выбросоопасности и механизма выбросов как научная основа безопасности труда".
Доказательство того, что имеет место проявление природной закономерности, требовало уточнения степени метаморфизма углей в окрестности предельных точек Б и А на оси абсцисс, соответствующей степени метаморфизма углей, в которых зарождается, а затем и вырождается выбросоопасность. Выполняя это требование, обратим внимание на то, что широкое применение для оценки степени метаморфизма показателя Vdaf, %, привело учёных - геологов к выводу, что он недостаточно надёжно оценивает степень метаморфизма углей.Для более надёжной оценки степени метаморфизма антрацитов в настоящее время используется показатель логарифм удельного электросопротивления антрацитов.
При разработке угольных пластов выбросоопасность не формируется. Такой вывод стал возможным только после доказательства закономерности связи выбросоопасности со степенью метаморфизма углей. Сущность доказательства, соответствующего методическому принципу поиска закономерностей, кратко сформулируем ещё раз.
Установление даже надёжной статистической зависимости во всех случаях следует рассматривать только как первый, обнадёживающий результат. Он обязательно должен быть развит: изучена физическая сущность зависимости. И только если природа зависимости будет вскрыта, можно утверждать существование закономерности.
Закономерность природного формирования выбросоопасности при изменении степени метаморфизма углей установлена на базе месторождений Донбасса. Но мировой опыт разработки угольных месторождений позволяет считать эту закономерность справедливой для всех условий. Приведём лишь отдельные частные доказательства.
Угли Бошняковского и Лесогорского месторождений острова Сахалин представлены марками Д и Г, выход летучих веществ 38 - 45%, т. е. их следует (так как Vdaf > 35%) относить к невыбросоопасным. taK они разрабатывались до 1970 г., когда на шахте № 16/17 бывшего треста Углегорскуголь комбината Сахалинуголь 03.12.70 г. при производстве взрывных работ произошёл выброс угля и газа. В последующие почти 30 лет разработка этих месторождений (по состоянию на 01.09.99 г.) не сопровождалась ни одним выбросом.
Природа проявления выбросоопасности хорошо объясняется с позиций зависимости формирования выбросоопасности от степени метаморфизма углей.
Горными работами на Бошняковском и Лесогорском месторождениях иногда вскрываются (пересекаются) интрузии андезита, т. е. внедрения изверженных пород. Степень метаморфизма углей в окрестности интрузий возрастает в результате процессов, которые получили название термальный метамрфизм.
Выброс угля и газа на шахте 16/17 произошёл именно на участке внедрения изверженных пород в пласт, где уголь в результате этого преобразовался в антрацит. Средний по 11 пробам, отобранным из разрушенного выбросом угля, выход летучих веществ составил 4,3%, т. е. он оказался больше предельного для антрацита равна 3,3 и практически подтвердил надёжность установленной закономерности.
Этот уникальный случай выброса приведён не только как частное доказательство правильности закономерности формирования выбросоопасности, обусловленной метаморфизмом углей. Необходимо обратить внимание на то, что совсем недавно в Донбассе при разведке вблизи г. Донецка полей «Южно-Донбасское» № 8 - 9 и Михайловская перспектива геологии ПГО Донбассгеология обнаружили интрузии. В поле действующих шахт «Южно-Донбасская» № 1 и «Южно-Донбасская» № 3 пласты невыбросоопасны, средний Vtaf = 37 - 39%, а М > 29,5.
К сказанному следует добавить, что на некоторых шахтах Венгрии выбросы угля и газа происходят только на участках щахтопластов, непосредственно примыкающим к интрузиям.
Большое практическое значение установленной закономерности природного формирования выбросоопасности заключается в возможности уже на стадии ведения геолого-разведочных работ на основании изучения степени метаморфизма углей надёжно определить группу шахтопластов, месторождения, разработка которых не может сопровождаться внезапными выбросами угля и газа. Её надёжность, в частности, доказывает тот факт, что к невыбросоопасным в Украине был отнесён пласт hs Фоминской в полях шахт «Прогресс» ПО Торезантрацит (глубина 1200 м.) и «Шахтёрская-Глубокая» ПО Шахтёрскуголь (глубина 1340 м.) при равной 3,3 несмотря на то, что этот пласт на небольших маленьких глубинах (порядка 250...650 м.) был выбросоопасным.
Приведённые примеры не только являются отдельными случаями, доказывающими или подтверждающими как общую закономерность формирования выбросоопасности, так и в широком плане достоверность физической модели выбросоопасного пласта. Например, мнение значительной группы специалистов, утверждающих неизбежность уравнивания за миллионы лет природной газоносности в пределах, как минимум, одного шахтопласта, опровергается выбросами угля и газа, происшедшими на острове Сахалин и Венгрии в окрестности интрузий. На большем расстоянии от неё выбросы не происходили, что самым убедительным образом доказывает практически нулевую проницаемость пласта, «не допустившую» в течение миллионов лет «выравнивания» природной газоносности.
В целом графическое представление закономерности связи выбросоопасности со степенью метаморфизма углей. Оно характеризует изменение выбросоопасности угольных шахтопластов (1), учитывает отсутствие выбросоопасности в зоне газового выветривания (2), природную связь со степенью метаморфизма углей проявлений выбросов породы и газа.
Особенности проявлений выбросов песчаников и газа, подтверждающие основные положения природы выбросоопасности.
Первые выбросы породы и газа, описанные в отечественной горнотехнической литературе, произошли в 50-х годах двадцатого столетия при проведении квершлага в песчаниках шахты «Кочегарка» ПО Артёмуголь на глубине 750 м. По мере развития горных работ на глубинах 700... 1300 м., при подготовке новых горизонтов число выбросоопасньгх слоев и выбросов песчаников в Донбассе непрерывно растёт. Значимость проблемы подтверждает и опыт ведения горных работ в других странах: выбросы соли и газа (Германия, Польша), песчаников, песчано-глинистых сланцев и нефтесодержащих песчаников (Польша, Чехия, Япония), песчано-медистых сланцев и песчаников (Германия). Значительное количество выбросов породы (соли) и газа произошло на Березниковском и Соликамском рудниках (Россия, Пермская область), а также Солигорских рудниках (Белоруссия) на глубинах 400...900 м. В 1977 - 1979 гг. впервые в мировой практике на глубине около 600 м. произошли выбросы изверженной породы (термометаморфизованных порфиритов) и газа (углекислого) в Армении при проведении тоннеля Арпа-Севан.
Выбросы песчаников и газа в Донбассе произошли даже в тех геологопромышленных районах и на тех шахтах, где ранее не происходили выбросы угля и газа. Например, на шахте им. Стаханова ГХК Красноармейскутоль (при строительстве «Красноармейская-Капитальная»).
Они зарегистрированы только на больших глубинах и, безусловно, стали существенно новой формой газодинамических проявлений горного давления, поставившей перед наукой и производством новые задачи. Комплекс разносторонних лабораторных и шахтных экспериментов позволил отечественным специалистам прийти к выводу о единстве природы выбросов угля и газа, породы (песчаников) и газа.
К середине шестидесятых годов МакНИИ впервые приступил к изучению проблемы, о том, откуда в песчаниках газ.
В поисках доказательного ответа на этот вопрос учёными Украины был выполнен в течение нескольких лет очень значительный объём, иногда неординарных шахтных и лабораторных экспериментов. Он включал:
- измерения степени метаморфизма углей пластообразных залежей (пластов), угольных включений и мелкорассеянной органики (размер вкраплений менее 3 мм.) в песчаниках, алевролитах и аргиллитах;
- измерения давления газов в выбросоопасных слоях песчаников и в угольных пластах, залегающих над или-под ними на этом же участке угольно-породного массива;
- измерения давления газов в одних и тех же скважинах, отдельные отрезки которых оказались на участках различной степени выбросоопасности песчаников, и отбор проб в них для измерения содержания различных газов;
- отбор проб газов в угольных пластах и выбросоопасных слоях песчаников для измерения содержания в них метана, высших углеводородов, углекислого газа, гелия и водорода;
- отбор проб водных растворов из угольных пластов и выбросоопасных слоев песчаников, вмещающих эти пласты, для измерения содержания в них оксидов и диоксидов железа, марганца, магния, алюминия и др. соединений. казалось, что давление газов в выбросоопасных слоях песчаников и выбросоопасных угольных пластах различаются в несколько раз; давления газов и их состав в камерах одних и тех же скважин неодинаковы; содержание газов и состав водных растворов различаются иногда на один и даже на два порядка [7, 8]. Основные выводы из них свелись к следующему.
Размеры угольных включений в песчаниках Донбасса изменяются от десятков микрон до десятков сантиметров. Если из крупных включений отбор проб угля не представляет сложности, то степень метаморфизма мелкорассеянной органики можно определить из-за малости навески угля только по данным об отражательной способности витринита.
Результаты определения отражательной способности угольных включений размером менее 3 мм в песчаниках привели к выводу, что с уменьшением размеров включений отражательная способность увеличивается, свидетельствуя о росте темпа метаморфизма органических веществ, то есть о росте скорости физико-химических превращений.
Полученные результаты позволяют следующим образом объяснить, почему становятся возможными упоминавшиеся ранее выбросы песчаника, происшедшие в геолого-промышленных районах Донбасса, где ранее не происходили выбросы угля и газа.
На стадии метаморфизма угольных пластов, характеризующейся М > 27,7, уровень их газоносности, обусловленный невысокой степенью метаморфизма, недостаточен для возникновения выбросов угля и газа. Но в этих же горно-геологических условиях из-за того, что темп метаморфизма мелкорассеянной органики выше, чем в угольных пластах, создаются условия, в которых метан и его гомологи в песчаниках генерируются интенсивнее. Достигается такой уровень природной газоносности, когда становятся возможными выбросы песчаников и газа. Исследованиями, выполненными Институтом геотехнической механики, было установлено (Забигайло В.Е, Лукинов В.В.), что выбросы песчаников и газа становятся возможными в геолого-промышленных районах, где отражательная способность витринита R0 > 0,75 у.е. В пересчёте на комплексный показатель метаморфизма это М > 28,9.
Более высокий темп метаморфизма мелкорассеянной органики в песчаниках привёл и к другому эффекту, интересному с позиции науки и полезному с позиции практики. Выбросоопасность песчаников, раньше зарождаясь, раньше природой и устраняется. В геолого-промышленных районах, на шахтах, где степень метаморфизма углей характеризуется Vdaf > 18%, нет выбросов песчаников и газа. Они возможны (соответственно точки В и Г на рис. 2.4.) в интервате от более 18% до М = 28,9.
В целом рассмотрение позволяет детализировать по степени выбросоопасности угольных шахтопластов и слоев песчаников области проявлений потенциальной выбросоопасности. К областям I (отсутствие выбросоопасности) и III (возможны выбросы угля) добавляется область IV, в которой не происходят выбросы угля и газа, но происходят и вероятны выбросы песчаников и газа. В области могут происходить как выбросы угля и газа, так и выбросы песчаника и газа. В области VI могут происходить только выбросы угля и газа.
Для угольных шахтопластов диапазон изменения степени метаморфизма углей от возникновения до прекращения выбросов почти в 1,6 раза больше, чем для песчаников.