ВНЕЗАПНЫЕ ВЫБРОСЫ МЕТАНА В ШАХТАХ
Катастрофы в угольных шахтах потрясают мир. В большинстве случаев они связаны со взрывами метана. Украинские, китайские и российские шахты считаются наиболее опасными. Конкурентоспособность угля, «вторая угольная волна» в России, перспективы угля как альтернативного энерготехнологического источника в настоящее время и в будущем неотделимы от безопасности и высокотехнологичности его добычи. Природа «заготовила» несметные угольные богатства. Как правило, угольные месторождения являются угольно-газовыми или даже газо-угольными. Безопасное и комплексное их использование — крупнейшая научная проблема.
Г. Грицко, член-коррепондент РАН
Явления внезапных выбросов угля и газа относятся к динамическим формам газопроявлений при подземной добыче угля. В отличие от более или менее спокойного процесса газовыделения в горные выработки из угольных пластов и вмещающих пород, при внезапных выбросах происходит взрывоподобное (но это еще не взрыв) газовыделение с выбросом в выработки метана (скорее смеси газов) и измельченного угля, после которого в массиве остаются характерные полости. Выброшенные метан и уголь распространяются по шахтным выработкам, нарушают вентиляцию, разрушают выработки и часто являются причиной взрывов, обрушений пород и пожаров в шахтах. В зависимости от силы выброса (количества выделившегося метана, выброшенного угля и динамики процесса), явления внезапных выбросов иногда перерастают в крупные катастрофы с многочисленными жертвами. Вместе с газом взрывается и угольная пыль.
Внезапные выбросы происходили в шахтах Франции, Бельгии, Германии, Англии, США, Австралии, Польши, Венгрии, Китая, Испании, Турции, Украины, России. Первый выброс описан во Франции в 1834 г. К настоящему времени произошло более 30 тыс. случаев внезапных выбросов. В СССР (теперь Россия, страны СНГ) внезапные выбросы происходили в Донбассе, Кузбассе, Печерском бассейне, в Приморье, на Урале и в Средней Азии.
Во время внезапных выбросов выбрасывается от нескольких тонн до 14 000 т (1968 г., шахта им. Ю. Гагарина в Донбассе) угля и выделяется до 600 000 м3 метана. В некоторых бассейнах выбрасывается не метан, а углекислый газ, водород или смесь газов. Известны внезапные выбросы при разработке месторождений калийных солей; выбросы газа и породы.
Предвидение академика А. А. Скочинского
В 1928 г. академик А. А. Скочинский (с 1944 по 1951 гг. — первый председатель Президиума Западно-Сибирского филиала АН СССР — предшественника СО РАН) в «Горном журнале» опубликовал предисловие к выполненной по его поручению работе по внезапным выбросам. В нем, в частности, говорилось: «…Из различного рода опасностей, с которыми приходится иметь дело при разработке каменноугольных месторождений, особенно страшны по своей стихийности и вместе с тем до сего времени еще очень мало выяснены внезапные выделения гремучего газа и углекислоты…» «…Массовых несчастных случаев и взрывов у нас пока не было, но это дело счастливого случая. Между тем, имеются основания ожидать, что с переходом работ на более глубокие горизонты и с усилением темпа добычи эти грозные явления будут учащаться…» Эти времена настали.
В АН СССР и АН УССР велись широкие исследования проблемы внезапных выбросов угля и газа в шахтах, которые возглавлял академик А. А. Скочинский. Работы академика С. А. Христиановича дали новый импульс развитию теории внезапных выбросов. Основная теоретическая, экспериментальная и технологическая работа велась в ИГД им.А.A. Скочинского, ИПКОН РАН, МГГУ (Москва); ВНИМИ (Ленинград); МакНИИ, ИГТМ, ДонУГИ (Украина); КНИУИ (Казахстан); ВостНИИ (Кузбасс, Восток); ИТПМ СО РАН, ИГД СО РАН (Новосибирск); ИУУ СО РАН (Кемерово). В 1978 г. была завершена комплексная работа по выработке основных положений теории внезапных выбросов угля, породы и газа.
Борьба с внезапными выбросами на шахтах велась посредством прогноза явлений на специально организованных станциях и службах (заключение о состоянии после реформ в угольной промышленности затруднительно); планирования горных работ с первоочередной выемкой неопасных защитных пластов; применением дегазации пластов, дренажных скважин, увлажнения массива, сотрясательного взрывания (был проведен даже подземный ядерный взрыв), упрочнения массива — все эти меры требуют высокой технологической дисциплины и непрерывного (ныне автоматизированного) контроля. Развал отраслевой науки и научных школ, изменение форм собственности, разрыв связей с Украиной, сокращение исследований вследствие преобладания других интересов, снижение технологической дисциплины не позволяют координировать действия и сильно осложнили решение проблемы внезапных выбросов.
101-й год
Именно столько лет прошло от появления первых выбросов в шахтах России, в Донбассе.
Украинские угольные шахты считаются самыми опасными в мире. Только за последние 12 лет в них произошло более тысячи случаев внезапных выбросов. Средняя глубина разработки приближается к километру. Почти треть шахт введена в эксплуатацию более 100 лет назад. Почему, говоря о выбросах, вспоминаем Украину? Украинские угольные шахты по газовой опасности могут служить моделью для Кузбасса.
В Кузбассе внезапные выбросы проявились в 1943 году. С тех пор здесь произошло более 200 случаев, в т.ч. несколько крупных. Критическая глубина появления выбросов в Кузбассе совсем незначительна — 150 м от земной поверхности. Характерно, что две трети выбросов сосредоточено всего на трех шахтах — «Центральной» и «Северной» в Кемерово и «Ноградской» в Прокопьевске, на остальных — от одного до нескольких случаев. Но растет количество шахт с проявлениями выбросов впервые. И эта специфика тревожна.
Современные представления о состояниях метана в угольных пластах заключаются в том, что метан находится в угле в свободном, адсорбированном, абсорбированном и хемосорбированном виде. Уголь обладает весьма развитой трещиноватой и поровой системами. В трещинах, макро- и мезопорах содержится свободный метан и метан, адсорбированный на поверхности пор («мицелл»). Большая часть метана внедрена в межмолекулярное пространство угля (твердый раствор), что произошло как в результате метаморфизма, так и при совместном воздействии газового давления и тектонических напряжений. Виды состояний метана находятся в динамическом равновесии, которое может нарушаться, приводя к выбросу.
Академик С. А. Христианович дал механико-математическое описание прорастания пор и трещин, заполненных газом, создающих выбросоопасные ситуации в угольном пласте. Прорастание трещин происходит в момент разгрузки напряженного состояния в окрестности забоя. При этом возникают «волна дробления» и «волна выброса».
Нетронутый метанонасыщенный угольный пласт является равновесной системой «уголь-метан-природная влага». При изменении напряженно-деформированного состояния пласта в результате техногенного воздействия в нем происходят необратимые изменения на уровне микроструктур, содержащих молекулы растворенного метана. Образуются зоны высокодисперсного угля, содержащего природные наночастицы. Они являются зонами нестабильности, в них происходят физические и физико-химические изменения свойств угля, в результате чего система становится метастабильной, и происходит переход метана из связанного состояния в свободное (ИПКОН РАН).
Высказываются взгляды на формирование выбросоопасных зон как результата структурно-химических преобразований углей в процессе механо-химических реакций, обусловленных деформированием пласта при воздействии тектонических и техногенных напряжений. Органическая масса углей в выбросоопасных зонах пластов подвергается механохимической активации и деструкции. В процессе выброса нарушаются наиболее слабые внутримолекулярные связи и происходит активационная механоэмиссия и десорбция метана. Спектры ЯМР из спокойных областей пласта и из мест выбросов существенно отличаются, что свидетельствует о разрушении полимерной структуры угля с образованием больших количеств метана.
Петрогенетические гипотезы говорят о том, что ископаемый уголь традиционно рассматривается как продукт метаморфизма осадочного органического вещества без учета воздействия на него водород-углеводородных и других флюидов. Однако важнейшим фактором преобразования углей является глубинная дегазация недр, доставляющая потоки флюидов по зонам проницаемости в верхние, разрабатываемые горизонты угольных залежей. Проницаемость и газоотдача пластов в сильной степени зависят от напряженного состояния и тектонической нарушенности угольных пластов. Глубинные флюиды несут в своем составе металлоорганические соединения, в угольных пластах происходит осаждение металлов, твердого углерода и образование углеметановых растворов, являющихся причиной выбросоопасности при снятии внешнего давления. Отмечается повышенное содержание в углях в зонах тектонических нарушений некоторых переходных металлов.
Существуют предположения о нахождении метана в угольных пластах в виде газовых гидратов, распадающихся при падении внешнего давления, повышении температуры при техногенном воздействии с образованием свободного метана и его выбросом.
Близко к проблеме внезапных выбросов метана стоит проблема горных ударов в угольных шахтах. В них более четко прослеживаются «чисто» геомеханические и технологические причины и механизмы. Во многих случаях горные удары и внезапные выбросы (особенно микроудары, толчки, стреляние горных пород) трудно отличимы, а методы борьбы с этими явлениями в части технологий разработки угольных пластов почти аналогичны.
Парад парадоксов
Представления о состоянии метана в угольных пластах лежат между противоположными, взаимоисключающими полюсами — от вообще отсутствия метана в пласте и появления его при техногенном воздействии до газонасыщенности пластов за счет подпитки флюидами из недр.
Все чисто механические эксперименты по «сорбции — десорбции» метана углем в лабораторных условиях в принципе не согласуются с химическими превращениями вещества угля (реакция прошла и она необратима).
Химические воззрения на преобразование вещества углей с выделением или даже образованием метана не согласуются с фактами выбросов углекислого газа (которые в несколько раз мощнее выбросов метана), выбросов на калийных рудниках, выбросов породы и газа.
Остается предположить многообразие видов этих явлений, генетических факторов и механизмов процесса внезапных выбросов. Это предположение не является новым и на прежнем уровне знаний об этом явлении. Действующие классификации включают генетически разные виды внешне похожих явлений. Проблема в том, чтобы перевести эти классификации, а, следовательно, методы прогноза и борьбы с этими явлениями на современный мультидисциплинарный научный уровень. При этом важно рассматривать не «выброс вообще», а уметь выделять классификационные генетически конкретные явления и их признаки.
В исследовании этой проблемы в настоящее время почти полностью отсутствуют современные геологические, геофизические и геохимические аспекты со всеми их мощнейшими методами и накопленными материалами. А только эти методы могут позволить исследовать и выявлять опасные геологические структуры, возможные пути «подпитки» рабочих горизонтов шахт глубинным метаном, изучать состав газов «дыхания Земли» (по В.И. Вернадскому), их роль в условиях генезиса и механизма протекания процессов, перерастания в технологические катастрофы.
Так, установление древних геологических путей миграции метана, следов древнейших природных взрывов и пожаров может оказаться полезным для современных прогнозов.
Остаются совершенно неизученными процессы кинетики образования, выделения и выброса метана из угольного пласта. Можно сказать, что исследования процессов физико-химической кинетики только начинаются. То, что изучалось и устанавливалось прежде, еще не исследовалось на современном приборном оборудовании.
Неизученными остаются и геомеханические процессы, приводящие к механохимическому образованию или выбросу метана. Остается неясным, почему одинаковые геомеханические ситуации не всегда завершаются выбросом. Также неясно, почему у одних тектонических нарушений происходят выбросы, а у подавляющего большинства нарушений — нет. Самое важное здесь то, что все объяснения находятся после выброса, а не до него. И так каждый раз. Многочисленные комиссии, расследующие причины трагедии, находят (конечно, кроме прямых нарушений правил безопасности) массу объяснений. Сейчас даже стал действовать фактор необъяснимого природного явления — и оно действительно необъяснимо и потому внезапно.
Завершая, следует с горечью констатировать, что эффективных методов прогноза и борьбы с внезапными выбросами метана в угольных шахтах пока нет. Нет и программ создания новых научных основ для познания и предотвращения этих явлений. А безопасность добычи угля нужна здесь и сейчас.
стр. 4
|
