Статья: Причины зарождения и развития газодинамических явлений в угольных шахтах

Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН

Причины зарождения и развития газодинамических явлений в угольных шахтах

УДК 622. 831. 322. 001

Скрицкий Владимир Аркадьевич д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник E-mail: scritsky@mail.ru

Сурков Александр Васильевич д-р техн. наук, проф., ведущий научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»

Аннотация

Представлен анализ публикаций, по результатам которого разработана гипотеза, объясняющая механизмы зарождения и развития в краевой части угольных пластов очагов саморазрушения угля, которые проявляются внезапными выбросами угля и газа либо суфлярными выделениями метана.

Ключевые слова: угольный пласт, геологическое нарушение, метан, кристаллогидрат, диссоциация, зональная дезинтеграция, механодеструкция угля, внезапные выбросы, суфляры

Несмотря на то, что при горных ударах иногда наблюдается повышение газовыделения из разрушенного углепородного массива, они являются геодинамическими, а не газодинамическими явлениями. Поэтому к газодинамическим явлениям, происходящим в угольных шахтах, следует относить лишь суфлярные выделения метана и внезапные выбросы угля и газа.

При суфлярных выделениях концентрация метана в атмосфере горных выработок может увеличиться до высоких значений на большом протяжении. Это представляет реальную угрозу для жизни и здоровья людей как из-за снижения концентрации кислорода в рудничной атмосфере, так и из-за образования в ней взрывоопасной концентрации метана. Причем дебит метана, выделяющегося из суфляра до его истощения, может достигать десятков и сотен тысяч кубических метров и более.

Наиболее опасными по тяжести последствий, обусловленных газодинамическими явлениями, являются внезапные выбросы угля и газа (далее внезапные выбросы). Повышенная опасность внезапных выбросов заключается в том, что при их возникновении изнутри краевой части пласта в горную выработку под большим давлением происходит высоконапорное истечение (подобно жидкости) подвижной углегазовой смеси, состоящей из взвеси в газообразном метане разрушенного и перемятого угля. При этом давление метана в этой подвижной газонаполненной системе значительно превышает не только геостатическое, но и опорное горное давление. В результате не только в горной выработке, в которую произошел внезапный выброс, но и в атмосфере прилегающих к ней выработок воздух замещается метаном. Кроме того, сама выработка, в которую произошел внезапный выброс, зачастую на большом протяжении почти полностью оказывается заполненной разрыхленными массами угля. Количество угля, выброшенного в горные выработки, колеблется в широких пределах - от нескольких тонн до тысяч тонн. К тому же из данных о внезапных выбросах, произошедших на шахтах различных стран [1], следует, что на каждую тонну выброшенного угля приходилось от 70 до 270 м³ выделившегося метана. Характерная особенность внезапных выбросов и суфляров заключа-ется также в том, что они возникают в зонах с геологическими нарушениями пластов и протекают с аномально высоким выделением метана. И это при том, что метанообиль-ность угля отрабатываемых пластов, на которых происходили и происходят газодинамические явления, обычно не превышает 12-15 м³ метана на каждую тонну добываемого угля [1].

Для объяснения механизма образования в зонах геологических нарушений пластов больших объемов метана под большим давлением выдвигались различные концепции. Они сводились к тому, что в результате перераспределения горного давления газовый коллектор, находящийся в зоне геологического нарушения пласта, разрушается, а метан, содержащийся в нем под давлением, расширяется и совершает работу по разрушению призабойной части пласта и выносу из геологического нарушения разрыхленного угля в горную выработку [2]. Подобное объяснение опасного и, как правило, непредсказуемого явления не противоречит фундаментальным законам физики и геомеханики, но не дает ответа на вопрос, в результате каких процессов в зонах геологических нарушений пластов образуется повышенное количество метана под давлением, значительно превышающим геостатическое? Выдвигались различные теории, в том числе и о якобы существующем в природе «твердом углегазовом растворе (ТУГР)». Тем не менее не было найдено достаточно убедительного объяснения возникновения в зонах геологических нарушений пластов больших объемов газообразного метана, давление которого значительно превышало бы геостатическое [2, 3].

Единственно возможным источником выделения значительного количества метана и при этом развивающим в угольном пласте давление газа, многократно превышающее геостатическое, могут быть только кристаллогидраты метана. Уникальное свойство гидратов метана заключается в том, что одним объемом воды при образовании гидрата метана связывается до 207 объемов метана, при этом в 1 м³ твердого гидрата метана на долю газа приходится 0,2 м³, а на воду - 0,8 м³. А при диссоциации 1 м³ гидрата метана из него образуется 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 объеме, равном 1 м³, давление, развиваемое газообразным метаном, достигает 232,9 МПа (2447 кг/см²) [4].

Возможность существования природных газов в земной коре в виде реликтовых включений кристаллогидратов является установленным фактом [4-6]. 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 гидрат метана), еще в 1973 г. было высказано Ю.Ф. Макогоном и И.Ф. Морозовым [7]. В последние годы в работах многих исследователей вновь стали высказываться предположения о том, что внезапные выбросы угля и газа происходят под действием газа, образовавшегося при диссоциации гидратов метана в краевых зонах пласта [8-10]. Если исходить из этих предположений, то по количеству метана, выделившегося при выбросе, можно определить необходимый для этого объем гидратов метана. Значит, можно определить и количество воды, которое должно было бы выделиться при диссоциации соответствующих объемов гидратов метана. Такие расчеты, выполненные для случаев внезапных выбросов, произошедших в шахтах разных стран [1], представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты расчета объемов гидрата метана, необходимого для реализации внезапных выбросов, исходя из представлений об этих явлениях, изложенных в работах [13-15]

Из расчетов (см. таблицу 1) видно, что во всех рассматриваемых случаях объем воды, выделившейся при диссоциации гидратов метана, зачастую должен был быть равен объему выброшенного угля, а порой даже и превышать. Если бы вода действительно в таких количествах выделялась при внезапных выбросах, то влажность выброшенного угля должна была существенно повышаться. Кроме того, в горной выработке, в которую произошел внезапный выброс, должны были обнаруживаться следы воды и даже лужи. Однако этого при внезапных выбросах не наблюдается. Следовательно, тезис о том, что внезапные выбросы обусловлены преимущественно метаном, выделившимся из кристаллогидратов при их диссоциации, не убедительны.

Впервые о том, что в процессе механодеструкции угля наблюдается механохимический эффект, при котором происходит разложение угля с образованием метана, было установлено Р.Л. Мюллером [11]. Лабораторными исследованиями, выполненными в ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского и в ФГБУН ИПКОН РАН, было установлено, что в результате механохимического эффекта объемы метана, образующиеся из каждой тонны разрушаемого угля, могут достигать 40…50 м³ и более [12]. Однако 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 [13, 14]. Поэтому зарождение лавинообразного процесса саморазрушения угля и развитие его до внезапного выброса невозможно объяснить метаном, образующимся при механохимическом разложении угля. Это подтверждается тем, что в большинстве случаев при подходе горных работ к геологическим нарушениям пластов и при их переходе газодинамических явлений не происходит.

Из изложенного выше следует, что механизм зарождения и развития в краевой части пласта процессов, завершающихся газодинамическими явлениями, невозможно объяснить только одним из рассмотренных факторов - диссоциацией гидратов метана [7, 8-10] или механохимическим эффектом разложения угля при его разрушении [11, 12-14]. На основании выполненного анализа сформулирована гипотеза, которой объясняется механизм зарождения и развития в краевых частях пластов процессов, завершающихся газодинамическими явлениями в шахтах. В массиве горных пород, начиная с глубины 150…200 м, исходя из температуры пород и геостатического давления, сохраняются условия для существования гидрата метана в метастабильном состоянии. В ненарушенных частях пластов из-за отсутствия пустот и зазоров между угольными пачками гидраты метана могут присутствовать в них как отдельные точечные и рассредоточенные мелкие вкрапления. А в зонах, где в результате геотектонических процессов происходили масштабные деформации (образование геологических нарушений пластов), возникавшие между угольными слоями и перемятыми пачками пустоты и зазоры могли заполняться локальными концентрированными скоплениями гидратов метана.

При ведении горных работ такие нарушенные участки пласта с находящимися в них прослойками скоплений гидрата метана оказываются в зоне влияния горных работ. В зоне опорного давления происходит разрушение угля с преодолением сил трения, в результате чего температура его повышается на 5…25 град в зависимости от величины опорного давления [15]. Кроме того, в соответствии с явлением зональной дезинтеграции горных пород, в зоне влияния на массив опорного давления образуются несколько нагруженных и разгруженных от горного давления зон, которые по мере подвигания забоя перемещаются [16]. Поэтому в краевой части пласта практически одновременно образуются разгруженные от горного давления зоны, в которых и температура угля повышается. Когда локальные скопления кристаллогидрата оказываются в зоне разупрочнения, обусловленной зональной дезинтеграцией массива [16], происходит его диссоциация на воду и газообразный метан. А так как диссоциация кристаллогидрата происходит в замкнутом объеме, то давление, развиваемое выделившимся из него газообразным метаном, превысит геостатическое на 232,9 МПа (2447 кг/см²) [5, 6].

На термобарической кривой гидрата метана, представленной на рисунке 1 [5], показано, как в результате изменения температуры угля и давления в краевой части пласта гидрат метана, находящийся в метастабильном состоянии (точка А), оказывается в условиях, при которых сохранение гидратов метана в метастабильном состоянии невозможно (точка Б).

Рисунок 1 - Термобарическая кривая фазовых состояний гидрата метана

Так как диссоциация гидратов метана (в точке Б) 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 более 230 МПа будет воздействовать выделившийся газообразный метан из газогидрата [5]. Так как вода не сжимаема, то в зоне, в которой произошла диссоциация гидратов метана, произойдут многочисленные и разнонаправленные гидравлические удары, перемалывающие прослойки угля, в том числе в тонкодисперсную пыль. По сути образование угольной пыли в зоне диссоциации гидрата метана представляет собой процесс гидродинамического разрушения угля под большим давлением, при котором диспергирование угля в соответствии с механохимическим эффектом сопровождается образованием из угля новых (дополнительных) объемов газообразного метана. Схема разрушения в краевой части пласта угольных прослоев под действием гидравлических ударов представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Образование угольной пыли в результате разрушения гидравлическими ударами угольных пропластков в геологических нарушениях при диссоциации гидратов метана

Под воздействием давления метана, выделившегося при диссоциации гидрата метана, сдвижение и разрушение угля внутри краевой части пласта распространяется по геологическому нарушению, в том числе и тому, где отсутствовали концентрированные скопления гидрата метана. Образующаяся в больших количествах угольная пыль, попадая в пространство между отдельными кусками и частицами угля, не только исполняет роль смазки, но и интенсифицирует выделение дополнительных объемов метана из частиц угля в процессе их разрушения при взаимном истирании. Таким образом, в замкнутом объеме краевой части массива (с геологическим нарушением пласта) процесс разрушения углепородного массива развивается по закону цепной реакции, превращаясь в лавинообразное саморазрушение, которое, распространяясь по геологическому нарушению, может достигать значительных размеров. В результате возникает подвижная газонаполненная система из разрушающегося угля, который более чем на 50% состоит из угольной пыли («бешеная мука») и угольных частиц крупностью менее 3 мм (см. таблицу 2 [17]). Давление метана в этой газонаполненной системе значительно, на 100-150 МПа и более превышает геостатическое.