ВНЕЗАПНЫ ЛИ
ВНЕЗАПНЫЕ ВЫБРОСЫ И ВЗРЫВЫ
В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ?
Ответ на этот вопрос, увы, очевиден. Внезапны — постольку, поскольку уже более 100 лет знания об этих процессах зашорены, зациклены на чисто механистических или технологических представлениях.
Г.И. Грицко, член-корреспондент РАН,
действительный член Академии горных наук,
Почётный гражданин Кемеровской области
|
«Иногда мы не понимаем чего-то не потому,
что не можем понять, а потому, что оно
не входит в круг наших понятий».
Козьма Прутков
|
Уголь в современном мире — геополитический и цивилизационный ресурс. Наряду (а иногда в основе) со сланцевым газом, метангидратами, угольным метаном, безвыбросными электростанциями, синтетическим авиационным топливом, водородом, альтернативными источниками энергии. Шахты мирового уровня в Кузбассе работают уже много лет. Но подкачала безопасность. Она напрямую связана с геологическими планетарными знаниями о недрах, и это, по нашему мнению, сейчас основной путь совершенствования угледобычи. Путь на многие десятилетия, т.к. он открывает возможности освоения глубин и новых богатств недр Кузбасса и новые страницы в горных науках.
В самом деле, слишком велико значение угля для человечества, чтобы продолжать «ковыряться» в Земле у поверхности, в темноте и почти вслепую, «покупая» каждый миллион тонн угля за одну шахтёрскую жизнь.
И десятки лет привычно расследовать причины взрывов в шахтах, находить (или назначать?) «козлов отпущения» и ждать следующего взрыва. А взрывы как были, так и есть и, к сожалению, будут, пока не прозреем и не увидим незашоренным взором: а недра-то живут, и уже не только газы, но и открытый огонь из недр выходит, и всё гораздо сложнее, чем мы думали и к чему готовились ранее. И наша «комнатная» газозащитная аппаратура действительно защищает, но кого и от чего? Она ведь «не туда смотрит», а отключать «её» начал ещё Алексей Стаханов, накрывая уголь брезентом, сохраняя в нём метан — так уголь мягче.
Дегазация нужна, но какая? В забоях — да, но мы уже накопили сотни и тысячи квадратных километров выработанных пространств, в которые устремляются газы из глубин. А если (здесь нет сомнений) в недрах имеются сообщающиеся сосуды или струйные течения, то дегазационный метан замещается новым в ту же секунду. И это бесконечный возобновляемый источник углеводородов, который предстоит осваивать (не мы, так другие, неизбежно) в интересах безопасности, экологии и экономики, а не выпускать метан в атмосферу в ожидании следующего несчастья.
Скажу сразу — мои аргументы не беспочвенны, хотя, по понятным причинам, прямых экспериментов я провести не могу. Но геологи («Геология — дочь горного дела», ак. Б. С. Соколов) накопили уже массу нужных угольщикам материалов, методов, практического опыта работы с недрами. Однако нет — «инакомыслящим» нет места даже в комиссиях по расследованию аварий! Пусть «Распадская» взрывается уже пять раз (1985, 1996, 2001, 08.05.2010 г. — два взрыва). Официальная же точка зрения на «непознанные природные явления» (НЛО, что ли?) продолжает оставаться неизменной. Ни государство, ни частные компании не организуют исследования, дискуссии, концентрацию усилий и средств, хотя бы моральную поддержку атмосферы поиска. Денег на это пока много не надо.
А представьте, что мы научились дегазировать недра, обеспечивать не только безопасность и экологию угледобычи, но и добычу газа, тепла, редких металлов из недр, открыли возобновляемый источник углеводородов — газа и, возможно, нефти (вопрос для Кузбасса не закрыт). И всё в результате более полного исследованного и освоения уже известного, обжитого, но пока недостаточно изученного, как того требует его уникальность, геологического объекта — Кузбасса!
Как говорил герой Высоцкого: «Я вам мозги не пудрю, уже не тот завод...». И опасность «нью-васюкизма» мной хорошо просматривается. И что проблема эта комплексная, факторы переплетаются, вряд ли можно будет чётко выделять влияние каждого из них. Но на тех дальних подступах к инициируемым проблемам, на которых мы реально находимся, я говорю сейчас только о более широкой научной платформе всестороннего геологического изучения Кузбасса, его глубоких горизонтов, новых подходов к исследованиям, привлечении к «загадочным» фактам и его проблемам научной молодёжи. И попытаюсь вместе со своими единомышленниками сделать посильный обзор «нетрадиционных» научных проблем безопасности угледобычи в Кузбассе. Конечно, буду только рад, если кто-то подхватит излагаемые идеи, получит материал «за» или «против». Мечтаю, чтобы в университетах появились магистерские, аспирантские темы и диссертации по спорной тематике.
Геология Кузбасса была изучена в 20–30-е годы прошлого столетия достаточно хорошо для тех глубин и тех задач, которые тогда были актуальны. Эта геологическая информация является основной до сих пор. Завершением её стала геологическая карта Кузбасса, составленная А. З. Юзвицким, архив которого сохранён в Институте угля СО РАН.
Особенно примитивна (где ещё вообще осталась) шахтная геология. Но именно в ней сохраняются бесценные знания о недрах. К сожалению, они могут быть утрачены.
Обращаю внимание на некоторые факты, на наш взгляд, имеющие прямое отношение ко взрывам в шахтах:
— поверхность Мохоровичича под территорией Кузбасса на 4–10 км ближе к земной поверхности, чем под другими геологическими регионами Сибири (А. Л. Яншин);
— наименьшая глубина до поверхности Мохоровичича, следовательно, до верхней мантии Земли (утонение земной коры) — на юге Кузбасса;
— утонение земной коры пространственно совпадает с максимальной раздробленностью массива глубинными разломами;
— некоторые глубинные разломы уходят в верхнюю мантию;
— современная геодинамика в Кузбассе характеризуется сильным воздействием окружающих горных массивов с четырех сторон, особенно движения с юго-запада (Салаир);
— распределение ресурсов метана в Кузбассе также увеличивается с севера на юг и достигает максимумов в районах Новокузнецка и Междуреченска;
— шахты, на которых происходили взрывы в последнее время («Есаульская», «Ульяновская», «Юбилейная», «Распадская») приблизительно находятся на воображаемом полукруге в южной части Кузбасса;
— когда проектировались и строились наиболее производительные шахты на юге Кузбасса, названные выше геологические факторы не были известны, да и сейчас в этом плане наука не готова трансформировать свои достижения в обязательные рекомендации для принятия проектных решений.
Переходя к метану, также отметим ряд современных фактов и представлений, имеющих отношение к «нетрадиционным» воззрениям на причины и механизмы взрывов в шахтах:
— толща угленосных пород бассейна лежит на «метановой подушке» (В. А. Ашурков),
— корни метановой зоны Кузбасса уходят в верхнюю часть «метаносферы» Земли (он же);
— оттуда в геологическое и текущее время поставляются в горные отводы, шахтные поля, горные выработки, выработанные пространства, поднаносные пространства, на земную поверхность, в атмосферу большие массы глубинных газов.
И по объёму, и по химическому составу эти газы — в большем количестве, чем содержится или может содержаться метана в веществе угля. Какая-то часть этих газов продолжает оставаться в недрах — в рассеянном состоянии, в газовых «куполах» (И. И. Сычёв), «облаках», «пузырях», «ловушках» — и на них «натыкаются» горные работы, или захватывают содержащийся в них газ зонами своего влияния — опорным давлением, разгрузкой или пригрузкой, сдвижениями и пр. А далее пока процесс непредсказуем — он может ограничиться спокойным истечением газа, загазованием выработок, или, при совпадении набора необходимых условий, произойдёт взрыв.
На юге Кузбасса сейсморазведкой наличие таких куполов чётко зафиксировано, это использовано в интеграционном проекте СО РАН № 60. На этой основе уже разработан проект добычи метана из таких «куполов». На шахте «Алардинская» эксперименты показали связь между видом напряжённого состояния массива пород (сжатие — растяжение) и активностью «купола».
Доставка метана («подпитка», «подток» и др.) из глубин в рабочие горизонты шахт осуществляется по «каналам дегазации», в качестве которых выступают «тела брекчирования» (Э. В. Сокол) — древне-геологические пути миграции глубинных газов и флюидов к поверхности Земли. На многих из них — следы древних геологических пожаров. Высказаны предположения (В. А. Ашурков), что таковыми могут быть и «роевые скопления» очагов землетрясений малой мощности (подземных толчков, достоверно увязанных с горными работами — А. Ф. Еманов). В некоторых структурах установлено, что ближе к земной поверхности «тела брекчирования — каналы дегазации» ветвятся, имея в глубине один более мощный «ствол».
Установление таких фактов может иметь решающее значение для объяснения и профилактики взрывов угольных шахт Кузбасса:
— становится понятным, откуда берутся огромные количества газа для взрывов;
— устанавливается прямая связь между нестабильными процессами в глубинах недр и рабочими горизонтами;
— пути и процессы флюидопотоков объясняют особое строение ныне опасных по внезапным выбросам зон или участков;
— перемещение («блуждание») газовых «куполов» и «облаков» в пространстве и времени создаёт «блуждающую опасность» выбросов и взрывов в шахтах (до тех пор, пока эти перемещения не контролируются);
— газовые «купола», «облака» и «языки агрессии» могут продолжать подпитываться глубинными газами;
— поэтому они могут быть объектами эффективной и более масштабной дегазации участков массива и угольных пластов и одновременно резервуарами для добычи из них глубинного метана, и, может оказаться — с бесконечными возобновляемыми ресурсами углеводородных газов;
— в любом случае — это объекты для новых фундаментальных и прикладных исследований.
Здесь мы подошли к моменту «бифуркации»: открывается новая область исследований — связь угледобычи с планетарными, региональными и локальными процессами в недрах Земли; прорывы глубинных газов и других подземных субстанций в горные выработки шахт, требующие новой классификации явлений и их соотнесения с традиционными исследованиями. В этой области не всё ясно и в вопросах образования, строения и эволюции Земли, нефтеобразования. Не будем их затрагивать, ими занимаются специалисты, у нас достаточно «своих» проблем. Но отголоски нерешённых планетарных проблем в приложении к угледобыче и безопасности шахт весьма интересны. Именно они, на наш взгляд, указывают выходы из дальнейшего погружения в безвыходный тупик.
Отметим, что представители «планетарных» (или других) наук почти всегда дают разной глубины толкования о применимости своих воззрений или результатов к проблемам безопасности угольных шахт. В этом плане уже можно говорить о качественно новой группе гипотез о газодинамических явлениях в угольных шахтах (тектоническая, нейтронная, водородная, клатратная, наноугольная, сейсмическая, углехимическая и другие).
На наш взгляд, многие непонимания в первую очередь связаны с тем, что причинами взрывов продолжают считаться традиционные (сорбционные) формы нахождения метана в угле и его газодинамические выделения (классические внезапные выбросы угля и газа, для которых разработана масса гипотез и теорий, установлены закономерности и всё прочее). Однако есть и мнения, что пояс внезапных выбросов пройден (?!). В любом случае после глубин проявления «языков газовой агрессии» (критические глубины появления внезапных выбросов) начинаются глубины предельного (нарастающего) газонасыщения недр, превосходящего сорбционную газоёмкость вещества угля.
Взрывы шахт продолжаются. Геологические науки совершенно достоверно установили новые (сейчас уже они и не новые!) факты и закономерности дегазации Земли (для других задач), и продолжать ограничиваться только исследованиями «сорбции — десорбции» метана углем — это значит не видеть многообразия природных явлений. Всё гораздо сложнее, но и возможностей предоставляется больше.
Именно вышеприведённые представления позволяют объяснить многие «тупиковые» вопросы внезапных выбросов угля и газа (справедливости ради надо сказать, что нарушения «традиционности» наблюдались при исследованиях внезапных выбросов и ранее — то в объяснениях роли флюидов, то в углехимических подходах и проч.). Например, установлены факты громадных выделений метана из магматических пород (там, где угля нет совсем, на Кольском полуострове); подтоки мантийного метана в угольные месторождения (Дальний Восток); неуглеводородная ветвь дегазации Земли (П. Н. Кропоткин; Б. М. Валяев), могущая объяснить выбросы газов на неугольных месторождениях, выбросы углекислого газа в ряде угольных бассейнов Европы.
В свою очередь, без предыдущих исследований внезапных выбросов угля и газа не обойтись — никакая природная предрасположенность не может объяснить, например, приуроченность внезапных выбросов к нижней трети этажа, конфигурацию полостей выбросов и многое другое. Скорее всего, существует и ещё не установленная связь между многомиллионолетним насыщением (перенасыщением) глубинным метаном массивов горных пород рабочих горизонтов, механизмами поглощения и отдачи метана угольными пластами и опасностью внезапных выбросов угля и газа.
Приведём ещё ряд фактов, подтверждающих правомерность изложенных представлений и открывающих новые стороны явлений для исследований:
— в горных отводах шахт «Центральная» и «Северная» в Кемерово (ныне закрытых) на пластах Владимировский и Кемеровский сосредоточены почти две трети внезапных выбросов угля и газа и горных ударов (с 1943 года);
— десятки лет эти шахты были наиболее устойчиво газообильными в Кузбассе; напряжённость массива была такова, что удар по поверхности забоя вызывал продолжительный объёмный треск; вскрытие участка пласта Лутугинского-2 в 1947 году сопровождалось крупным выбросом и взрывом; ныне в этом районе предполагаются крупные месторождения углеводородов;
— на всех опасных по внезапным выбросам пластах наиболее опасные перемятые и слабые пачки, с повышенной скоростью газоотдачи, залегают у почвы пласта, что можно трактовать спецификой продвижения флюидопотоков;
— на одной из скважин в Абашево (Новокузнецк) с глубин 1900–2300 м ударил фонтан углекислого газа (с примесями метана и азота) дебитом более
200 тысяч м3 в сутки; исчерпав запасы газа (около 1 млн м3), газовыделение прекратилось;
— в Кузбассе открыты Борисовское и Сыромолотненское месторождения газа, более 650 битумопроявлений;
— очень обоснованы прогнозы о месторождениях нефти в Кузбассе на более глубоких горизонтах, до которых так и не добурились к 1962 году, когда поиски нефти были прекращены;
— Барзасское месторождение сапропелитов в Кузбассе («барзасситов») уникально по метаморфическому и геохимическому факторам и имеет весьма важное научное значение.
Под нарицательным понятием «взрывы метана» на самом деле скрываются и взрывы других газов, роль которых до сего времени не принимается во внимание. По нашему убеждению, именно они становятся «запалом», «детонатором» и вовлекают во взрыв метан. Сам метан взрывается только в довольно узком диапазоне концентрации 4,5–16 % (максимальная взрывоопасность при 9,5 %; при 1 % в шахте отключается электроэнергия, при 2 % из шахты выводятся люди).
Гомологи метана — тяжёлые углеводороды пропан, этан, бутан — взрывоопасны в гораздо большей степени, чем метан. В Кузбассе они встречаются в концентрациях от долей до 50 % во всех метановых проявлениях.
Особое внимание следует уделить водороду. Его смесь с метаном на три порядка взрывоопасней. Он обнаружен во всех районах Кузбасса (в некоторых скважинах его концентрация достигает 50–80 %). Во всех угольных и других бассейнах мира обнаружены струйные истечения водорода из недр. Можно назвать учебно-показательным истечение метано-водородных потоков из недр в Хибинах (с неравномерностью в сотни тысяч раз!), из магматических пород, где угля нет и в помине. В настоящее время идёт эпоха водородной дегазации Земли. Уже около 50 лет активизировалось выделение водорода из недр, зафиксирован водородный шлейф за Землей в космосе. Но вот при катастрофах в угольных шахтах возможная «вина» водорода не учитывается. Хотя, вероятнее всего, именно в нем и всё дело.
Аналогичная история с угольной пылью в шахтах, точнее с её нанофракциями. Скорее всего, если взрыв имеет «жёсткий» характер, сопровождается большими разрушениями даже на земной поверхности (как второй взрыв на «Распадской» 8 мая 2010 г.) то это взрыв угольной пыли, который, по нашему мнению, инициируется её нанофракциями. Кстати, образующаяся при внезапных выбросах «бешеная мука» тоже является наносубстанцией.
Это всё нетрадиционные гипотезы, причины, факторы и механизмы, которые требуют исследований на новом уровне.
В свете сказанного несколько по-иному видятся эндогенные подземные пожары. Нельзя исключать. что продолжительная «подпитка» рабочих горизонтов шахт глубинным метаном может приводить не только к взрывам, но и поддерживать эндогенные подземные пожары (то, что ранее целиком относилось за счёт склонности углей к самовозгоранию).
Случаи поступления из недр горящих газов в Кузбассе зафиксированы, и все на юге, в районах предполагаемого активного поступления метана и других газов из глубин. Некоторые скважины, пробуренные с поверхности, горят уже несколько лет.
В 2010 году (по непроверенным данным) открытый огонь наблюдался на новейшей шахте «Котинская».
Работа геофлюидной динамики подтверждается распределением и накоплением вокруг тектонических нарушений, трещин (видимо, на геологических путях миграции геофлюидов), ряда переходных металлов, обладающих каталитическими свойствами, поступающих из глубин Земли (В. А. Салихов). В описываемом процессе переносимые геофлюидами металлоорганические соединения и откладываемые из них металлы служат одним из признаков газовой выбросо- и взрывоопасности.
А откуда же огонь для взрыва или поджига? Здесь вариантов много. Как шахтёры говорят: «Был бы метан, а искра найдётся». Это и человеческий фактор, и кабели, и искры от работающего оборудования. Но обратим внимание на следующие факты:
— для многих районов Кузбасса характерны большие площади «горелых пород», следы древних геологических пожаров в угольных пластах (Э. В. Сокол);
— тогда «человеческого фактора» ещё не было, а пожары и взрывы уже были и, судя по следам, большие;
— при многих землетрясениях наблюдается выход из недр горящих газов (это к перманентной сейсмоактивности Кузбасса);
— горящий газ из скважины, голубые огоньки, бегающие по стенкам выработки, движущиеся «огненные шары» в горных выработках — это не где-нибудь, это в Кузбассе;
— профессор А. А. Воробьёв (его научная школа в Томске продолжает работу) создал научное направление — электрофизика недр. Ещё в 50-е годы прошлого века он показал, что подземные электрические разряды могут быть причиной взрывов и возгораний;
— развитие механико-математической модели академика С. А. Христиановича в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН (А. В. Фёдоров, В. М. Фомин) показало возможности самовоспламенения и самодетонации газов в массиве горных пород;
— порог взрывоопасности значительно снижается, если метан заменить на водород или его смесь с метаном, пропан или другие гомологи, а также на наночастицы угольной пыли;
— обнаружено заметное повышение температуры в зонах опорного давления, в нагруженных оставленных целиках угля (В. А. Скрицкий).
Короче говоря, искра может найтись и вне вредоносной деятельности «человеческого фактора». Опять же, нужны исследования.
В геологическом смысле недра Кузбасса бушуют, переполненные газами, пересыщенные активнейшими геофлюидами, энергией, теплом, тектоническими силами — ведь это современно активный геологический регион — а мы всё подходим к нему со знаниями и мерками начала прошлого столетия и даже более ранними. Ведь внезапные выбросы угля и газа появились в 1834 году во Франции (в России известны с 1906 г.) и с тех пор традиционно исследуется почти только одна версия — сорбционно-метановая. А вокруг — необозримые достижения геологии, геофизики, геохимии, бери и применяй, если есть к этому необходимость (а она насущна), и есть кому это делать.
Но, уже спровоцировав активный ответ недр Кузбасса на вмешательство в их природную жизнь посредством изъятия миллиардов тонн угля, руды, пород, образования сотен и тысяч километров горных выработок и квадратных километров выработанных пространств, заполненных обрушенными породами, вызвав массовые проседания и сдвижения земной поверхности, «подвесив» не обрушившиеся толщи массива на оставленных целиках угля, воздействуя на природные толщи массовыми сотрясениями от технологических взрывов, «поощряя» сейсмическую и газодинамическую деятельность недр всё более активным технологическим воздействием, мы здесь же хотим фактически по старинке, как это возможно было когда-то, добывать и добывать уголь. Вот и недавно перед Кузбассом поставлена новая цель — довести добычу угля до 260 млн т в год (в 2011 г. — 192 млн т).
Реструктуризация угольной промышленности добавила проблем — появились затопленные закрытые шахты, с неуправляемыми геомеханическими, гидрогеологическими и аэродинамическими процессами.
Моё глубокое убеждение — в угледобыче, экологии и безопасности Кузбасса не хватает научной геологической планетарности, современных нетрадиционных подходов. Строение и свойства массива недр — это всё-таки часть строения и свойств Земли, а не какой-либо типовой конструкции (даже кровли угольных пластов), которую можно познать, описать, рассчитать.
Таким образом, мы пришли к утверждению, что взрывы угольных шахт могут иметь причиной как внезапные выбросы угля и газа, так и прорывы глубинных газов в горные выработки, причиной которых являются структурные, локальные, региональные и планетарные процессы. Процессы эти не только состоят из явлений и механизмов, до сих пор не принимаюшихся во внимание, но и совершенно недостаточно исследованы. Они представляют относительно новый предмет исследований и открывают новые многосторонние перспективы в прогнозировании и предотвращении катастрофических явлений. А также в использовании недр при разработке глубоких горизонтов Кузбасса. Было бы кому да на благо всем.
стр. 8-9
| 
