Статья: Причины зарождения и развития газодинамических явлений в угольных шахтах

Таблица 2 - Гранулометрический состав угля, оказавшегося в выработке, после внезапного выброса

Такая взвесь угольной пыли и мелких частиц угля в метане становится подвижной, приобретая свойства жидкости. Образовавшаяся подвижная углегазовая смесь в краевой части пласта, изнутри воздействуя с большой силой на забой вскрывающей выработки, выталкивает из него, как пробку из бутылки, наименее прочную угольную пачку. Следом за этой «пробкой» через образовавшееся «горлышко» в выработку из краевой части горного массива происходит высоконапорное истечение (как жидкости) подвижной углегазовой смеси. Именно такое высоконапорное истечение подвижной углегазовой смеси из краевой части пласта в горную выработку именуется внезапным выбросом угля и газа.

Если локальное скопление реликтовых кристаллогидратов метана, оказавшихся в зоне влияния горных работ, находится выше или на уровне проводимой горной выработки, как это представлено на рисунке 3, то процесс формирования и развития в краевой части массива зоны лавинообразного разрушения углепородного массива завершается внезапным выбросом угля и газа [4].

Рисунок 3 - Схема формирования и развития в краевой части углепородного массива очага лавинообразного разрушения угля, завершающегося внезапным выбросом угля и газа: 1- горная выработка; 2 - угольный пласт; 3 - местонахождение локальных скоплений реликтовых кристаллогидратов метана до их диссоциации; 4 - развивающаяся зона лавинообразного разрушения; 5 - «горловина», через которую происходит высоконапорное истечение подвижной углегазовой взвеси

Если же локальное скопление реликтовых кристаллогидратов метана в зоне геологического нарушения пласта находится на геодезической отметке ниже ведения горных работ, то так же, как и в описанном выше случае, происходит диссоциация кристаллогидратов. Но так как поверхность, разгруженная от горного давления (почва горной выработки), находится выше возникшего очага разрушения углепородного массива, то при появлении трещины в почве выработки через нее будет выделяться метан, образовавшийся при диссоциации кристаллогидратов. Это обусловлено тем, что выделившийся из кристаллогидратов газообразный метан будет находиться преимущественно в верхней части зоны лавинообразного разрушения угля. Для наглядности на рисунках 4а и 4б представлен механизм возникновения суфлярных выделений метана в горных выработках угольных шахт. угольный метан гидрат

Рисунок 4а - Схема возникновения суфлярного выделения метана при вскрытии угольного пласта в зоне геологического нарушения с сохранившимися в нем реликтовыми локальными скоплениями кристаллогидратов метана: 1 - горная выработка; 2 - угольный пласт; 3 - локальное реликтовое скопление кристаллогидрата метана, сохранившееся в зоне геологического нарушения пласта; 4 - очаг лавинообразного разрушения угля, инициированный метаном, выделившимся из кристаллогидратов при их диссоциации (см. рисунок 4б); 5 - трещина, через которую под давлением из зоны диссоциации кристаллогидратов выделяется метан, зачастую с водой; 6 - вспучившаяся и растрескавшаяся почва горной выработки; 7 - метан и вода, выделяющиеся в горную выработку из зоны диссоциации кристаллогидратов

Рисунок 4б (см. поз. 4 рисунка 4а) - Очаг лавинообразного разрушения угля, возникший в результате диссоциации реликтовых кристаллогидратов метана, локальное скопление которых в метастабильном состоянии находилось в зоне геологического нарушения пласта, ниже выработки, вскрывающей угольный пласт

Так как метан и вода, выделившиеся при диссоциации кристаллогидратов, оказываются в верхней части возникшей зоны лавинообразного разрушения угля, то именно поэтому во многих случаях при суфлярах наблюдается незначительное выделение воды.

В настоящее время не представляется возможным определить критический объем локальных скоплений гидрата метана в зонах геологических нарушений, достаточный для запуска процесса саморазрушения изначально нарушенного угольного пласта, однако изложенные результаты анализа позволяют сделать следующие выводы:

1. Газодинамические явления, происходящие в шахтах, приурочены к зонам геологических нарушений пластов, в которых до наших дней сохранились в метастабильном состоянии локальные скопления реликтовых кристаллогидратов метана.

2. Давление метана, выделившегося при диссоциации кристаллогидрата, превышает геостатическое на 150-200 МПа. Под таким давлением в геологическом нарушении пласта с изначально разупрочненным углем зарождается процесс разрушения угля, который вследствие выделения метана при механохимическом разложении угля перерастает в лавинообразное саморазрушение, которое может проявиться суфляром или внезапным выбросом угля и газа.

3. Для предотвращения в шахтах газодинамических явлений, протекающих с непредсказуемыми последствиями, необходимо проводить специальные геофизические исследования шахтных полей на предмет выявления в зонах геологических нарушений пластов локальных скоплений кристаллогидратов. При обнаружении таковых заблаговременно (до подхода горных работ) могут приниматься меры для их диссоциации.

Библиографический список

1. Скочинский, А.А. Горная наука и борьба с внезапными выбросами угля и газа на шахтах / А.А. Скочинский, В.В. Ходот. - М.: Углетехиздат, 1957. - 42 с.

2. Бобров, В.И. Борьба с внезапными выбросами угля и газа / В.И. Бобров, В.И. Кричевский. -Киев: Техника, 1964. - 286 с.

3. Николин, В.Н. Выбросы породы и газа / В.Н. Николин, С.С. Меликсетов, И.М. Беркович. - М.: Недра, 1967. - 81 с.

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

5. Кэролл, Джон. Гидраты природного газа: пособие / пер. с англ. - М.: Премиум Инжиниринг, 2007. - 289 с.

6. Макогон, Ю.Ф. Гидраты природных газов. - М.: Недра, 1974. - 237 с.

7. Макогон, Ю.Ф. Внезапные выбросы и участие в них метана в гидратном состоянии / Ю.Ф. Макогон, И.Ф.Морозов // Безопасность труда в промышленности. - 1973. - № 12. - С. 26-27.

8. Шепелева, С.А. О возможности участия кристаллогидратов метана во внезапных выбросах угля и газов / С.А. Шепелева, В.В. Дырдин // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2010. - № 1. - С.156-159.

9. Клюкин, Г.К. Особенности внезапных выбросов угля и породы и состояние выбросоактивного газа / Г.К. Клюкин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2009. - № 6. - С. 38-41.

10. Клюкин, Г.К. Механизм образования выбросоактивных зон / Г.К. Клюкин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2010. - № 2. - С. 56-58.

11. Мюллер, Р.Л. К вопросу о возможной роли химических процессов при внезапных выбросах угля и газа в угольных шахтах / Р.Л. Мюллер // Вопросы теории внезапных выбросов угля и газа. - М.: Изд-во ИГД АН СССР. - 1959. - С. 156-172.

12. Малинникова, О.Н. Эффект образования метана и дополнительной сорбции при разрушении газонасыщенного угля в условиях объемного напряженного состояния / Г.Н. Фейт, О.Н. Малинникова // Горный информационно-аналитический бюллетень. -Вып.8. -М.: МГГУ. - 2004. - С. 153-164.

13. Фейт, Г.Н. Механохимические процессы метанообразования в угольных пластах в условиях высоких напряжений / Г.Н. Фейт, О.Н. Малинникова // Горный информационно-аналитический бюллетень. Тематическое приложение «Метан». - М.: МГГУ. - 2006. -С. 192-205.

14. Малинникова, О.Н. Образование «дополнительного» метана при техногенном воздействии на угольный пласт // 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. - С. 185-190.

15. Скрицкий, В.А. Гипотеза о влиянии горного давления на возникновение начального теплового импульса в разрыхленных скоплениях угля // Сборник трудов конференции «Фундаментальные проблемы формирования техногенной среды» (07-11 июля 2008 г.). - Том «Геотехнология». - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2008. - С. 154-161.

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

17. Большинский, М.И. Газодинамические явления в шахтах / М.И. Большинский, Б.А. Лысиков, А.А. Каплюхин. - Севастополь: Вебер, 2003. - 284 с.