CC BY
33
УДК 622.411.332:661.92:622.812.001.1 © И.Е. Колесниченко, В.Б. Артемьев, Е.А. Колесниченко, 2019
Эволюция методов изучения метанобезопасности при разработке угольных пластов
■ DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-7-36-41
КОЛЕСНИЧЕНКО Игорь Евгеньевич
Доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Проектирование и строительство автомобильных дорог», заместитель директора Шахтинского автодорожного института (филиала) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, 346500, г. Шахты, Россия, тел.: +7 (8636) 22-75-49, e-mail: kolesnichenko-igor@rambler.ru
АРТЕМЬЕВ Владимир Борисович
Доктор техн. наук,
заместитель генерального директора -директор по производственным операциям АО «СУЭК»,
115054, г. Москва, Россия, e-mail: pr_artem@suek.ru
КОЛЕСНИЧЕНКО Евгений Александрович
Доктор техн. наук, профессор, профессор кафедры «Проектирование и строительство автомобильных дорог» Шахтинского автодорожного института (филиала) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, 346500, г. Шахты, Россия, тел.: +7 (8636) 25-97-83, e-mail: kolesnichenko-2718@rambler.ru
Статья посвящена проблемам метанобезопасности при разработке угольных пластов. Представлен анализ фактографических данных и интуитивных представлений о содержании метана в угольных пластах. На первых этапах изучения произошедших внезапных выбросов метана не учитывалась молекулярная структура органического вещества в угольных пластах. Применяемые способы прогнозирования внезапных выбросов не учитывают природных закономерностей. Разработанные методы борьбы с внезапными выбросами выполняются на шахтах вслепую. Приведены особенности предлагаемой теории электронно-волновой физики угольных пластов. Теория учитывает генетические закономерности образования молекулярной структуры угля и дополняет закономерности молекулярно-кинетической теории физико-химических реакций в периоды углефикации и метаморфизма. Приведены результаты экспериментального доказательства неравномерных выделений метана по слоям и длине исследуемой выработки. Ключевые слова:угольный пласт, слой, метанообиль-ность, внезапный выброс, гипотезы, метан, воздействие на пласт, молекула, атом, фотон, углерод, водород, восстановленность угля, молекулярно-кинетическая, электронно-волновая теория, стратиграфическая глубина.
АКТУАЛЬНОСТЬ
Угольный пласт является естественной природной системой, содержащей горючую органическую массу, которую используют в качестве энергетического сырья. В зависимости от стратиграфической глубины залегания пласта уголь добывают поверхностным или подземным способом. Особенностью многих угольных пластов является присутствие в них значительных запасов газа метана. Под метанобезопасностью понимаем состояние защищенности жизни рабочих в результате предотвращения газодинамических выбросов метана из угольных пластов, возгораний и взрывов метановоздушной смеси в подземных горных выработках. Решением проблемы метанобезопасности занимались ученые в России (СССР) и за рубежом. На шахтах значительно сократилось количество газодинамических проявлений и взрывов метана.
Существенный вклад в решение проблемы борьбы с внезапными выбросами внесли ученые: А.Т. Айруни, Л.Н. Быков, Б.М. Иванов, А.М. Линьков, Н.Г. Матвиенко, В.И. Николин, А.В. Орешкин, И.М. Петухов, А.Э. Петросян, В.В. Ходот, Н.Н. Черницын и др. Однако исследования с целью совершенствования способов предотвращения выбросов продолжаются.
Авторы настоящей работы полагают, что ранее выполненные и современные исследования не отражают адекватно природные закономерности образования газа метана в пласте и условия реализации аварийных газодинамических процессов в стесненном пространстве горных выработок. Степень познания метанобезопасности была ограничена уровнем развития науки и человеческим фактором при использовании этих знаний.
Задачей нашей работы является на основании анализа устоявшихся представлений обосновать необходимость совершенствования концепции метанобезопасности с учетом новых знаний о физико-химических закономерностях изменения молекулярных структур, все стадии превращения которых происходили и постоянно происходят в результате действия внутренней тепловой энергии в угольных пластах. Поставленную задачу позволяют решить знания закономерностей электронно-волновой физики.
ОБСУЖДЕНИЕ МЕТОДОВ И СПОСОБОВ
Первый внезапный выброс метана произошел в 1834 г. во Франции на шахте «Исаак» бассейна Луары. С этого времени начался сбор первичных фактографических данных, характеризующих геологические особенности места выброса и органическую массу пласта. Устанавливались глубина залегания, мощность и геологические нарушения пласта. Определялись марка угля, слоистость и прочность слоев, структурно-вещественный и элементный состав органической части, выход летучих веществ, зольность и содержание воды.
Анализ этих данных показал, что их значения варьируются в широких пределах, то есть выброс может произойти в любом месте. В дальнейшем анализ этих факторов был продолжен многими исследователями. Наибольшее распространение получил выход летучих веществ как показатель выбросоопасности угольных пластов. Этот показатель применяется для определения петрографо-химико-технологических свойств, стадий метаморфизма и марочных названий угля.
В это время распространение получили две основные гипотезы, в которых основными источниками энергии выброса могли быть находящийся в угле газ или горное давление. В 1910 г. Stassart и 1_етак [1] предположили, что выбросы происходят в местах повышенных тектонических напряжений и геологических нарушений. В 1917 г. Н.Н. Черницын [2] посчитал, что выбросы происходят в местах скопления газа с повышенным давлением. Л.Н. Быков (МакНИИ) [3] пришел к выводу, что в пластах имеются специфические очаги, состоящие из системы ячеистых трещин, заполненных газом. Эти очаги образуются под влиянием тектонических сил. В 1952 г. В.В. Ходо-том была предложена энергетическая теория внезапных выбросов угля и газа [4], которая учитывала три главных фактора: давление газа, горное давление и физико-механические свойства угля. Одним из условий выброса является уменьшение прочности структуры пласта в результате одноосного сжатия и образования пачек перемятого угля. Впереди линии забоя концентрация горного давления значительно превышает вес налегающих пород. Происходят мгновенное превращение потенци-
альной энергии пласта в кинетическую и внезапный выброс разрушенного угля и метана. Однако это больше похоже на выдавливание призабойной части пласта, которое иногда бывает. На практике выбросы происходят через отверстия небольшого диаметра, а ограниченная сверху и снизу прочными слоями угля полость, которую занимал выброшенный объем угля, находится на расстоянии 6-7 м от забоя выработки.
Исследователи для изучения брали и в настоящее время берут точечные пробы угольного вещества на соседних с выбросом участках пласта. Считается, что пласт весь выбросоопасный, а не тот локальный участок или даже отдельный слой пласта, который был уже выброшен. Такое отношение к изучению выбросоопасности остается потому, что с самого начала не учитывают природных свойств реального угольного пласта. Угольный пласт рассматривается как однородный материал, имеющий постоянные структурно-механические свойства: прочность, упругость, пластичность, трещиноватость. Эти свойства характеризуют материал для практического использования. Предпосылки разрушения пласта при внезапном выбросе рассматриваются с позиций механики сплошных сред.
Опыт доказал, что внезапные выбросы происходят на локальных участках. Отсутствие знаний природных закономерностей не позволяет прогнозировать такие участки. Поэтому выбросы на шахтах так и продолжают происходить внезапно с человеческими жертвами.
Для защиты людей при выемке метаноносных пластов угля разработана система обеспечения безопасности. В соответствии с полученными знаниями были предложены оперативные способы предотвращения выбросов: сотрясательное взрывание передовых шпуров в забоях и предварительная выемка нижележащего или вышележащего с меньшей метаноносностью угольного пласта. Также применяли бурение передовых скважин и вымывание полостей по непрочным слоям пласта с целью дегазации призабойной зоны угольного пласта. Можно сказать, что эти способы применяли наугад без учета фундаментальных природных процессов в угольных пластах.
Современным способом предотвращения выбросов метана является предварительная дегазация метанонос-ного пласта с применением вакуум-насосов, дегазационных вентиляторов и газодренажных скважин. Этот способ позволяет значительно повысить нагрузку на очистные забои и скорость проведения подготовительных выработок. Однако применение этих способов пока не может полностью предотвратить аварийные выбросы метана.
Многие ученые считают, что в угольных пластах метан находится в свободном, адсорбированном, абсорбированном и поглощенном угольным веществом состоянии с образованием химических связей (хемосорбиро-ванном виде). Однако такие предположения не обоснованы физико-химическими процессами в угольном веществе. Выполненные исследования пока не позволили обосновать исходный материал и процесс образования газа метана в пласте.
Для снижения остаточной метаноносности в пласте при дегазации в настоящее время исследуют методы упруго-волнового воздействия на пласт: акустический,
ударно-волновой, гидравлический разрыв и вибросейсмический. Применение этих способов, как указывают авторы, должно способствовать десорбции метана с твердой поверхности угля, образованию сети трещин и фильтрации газа. Однако авторы при расчете энергетических затрат и источников энергии не учитывают природную химическую и петрографическую структуру объекта исследования, то есть угольного пласта.
Также можно отметить современные работы ученых [5, 6, 7, 8, 9], исследующих проблему прогноза и предотвращения внезапных выбросов угля и газа. В работе [5] методом нейронной сети построена многофакторная модель внезапных выбросов угля и газа на основе данных о нескольких десятках реально произошедших внезапных выбросов угля и газа. В математической матрице отображаются абстрактные характеристики пористости и проницаемости угля.
В результате того, что не были учтены знания о химической структуре и физико-химических процессах в пластах была распространена идея о твердом состоянии газа метана, который может стремительно переходить в газообразную форму перед выбросом [10, 11, 12]. Также высказываются предположения о существовании газовых гидратов метана в угольных пластах [13, 14], а также о возможной связи разложения газовых гидратов и развязывания внезапных выбросов угля и газа.
Значительный вклад внесли русские ученые в исследование структуры торфяника и угольных пластов. В 1897 г. Д.И. Менделеев сформулировал представление о молекулярной структуре метаморфизованного угля и представил расчет массовой концентрации химических элементов углерода С, водорода Н, серы S и кислорода О. Изучение структуры угольных пластов продолжили ученые Ю.А. Жемчужников, Г.А. Иванов, И.Э. Вальц, М.В. Богданова и др. Они доказали, что процесс торфо-накопления сопровождался разложением составляющих элементов органического вещества с последующими физико-химическими превращениями до перекрытия его водой и слоем породы [15, 16, 17, 18]. Установили закономерности формирования торфяника и влияние геотектонических ритмов, аэробных и анаэробных условий на образование петрографических типов угля [16]. Обосновали влияние восстановленности углей на химическую характеристику угольного вещества [18]. Угольные пласты являются многослойными образованиями, состоящими из переслаивающихся углей различных типов и породных прослойков.
Однако комплекс этих знаний не позволил объяснить неравномерность природной метаноносности, образование газа и формы его нахождения в пласте, механизм внезапного выброса из пласта и движущие энергетические силы всех физико-химических процессов в историческом периоде существования месторождения.
изолированном от поверхности геологическом пласте при увеличении стратиграфической глубины погружения на всех этапах превращения во время исторического периода углефикации и метаморфизма.
ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР
Есл и изучать в отдельных местах ха ра ктеристи ки угол ь-ных пластов в статике на текущий момент, то невозможно установить факторы, влияющие на изменение мета-ноносности, проницаемости, выбросоопасности, формы содержания метана и др. Изучить эти процессы можно только, рассматривая весь геологический период их исторической трансформации. Угольные пласты на виду. Есть их выход под наносы или на земную поверхность. По геологическим разрезам можно проследить изменение стратиграфической глубины. В зависимости от глубины видно изменение метаморфизма и технологических марок угля. Всеми признано, что полезные горючие свойства сложены органической массой, в которой содержится газ метан. В результате технического и элементного анализа определяют массовую концентрацию горючих элементов углерода, водорода, серы и окислителя кислорода. Но эти данные для пласта определяются по пробе массой 1 грамм.
Для исследования различных веществ применяют молекулярно-кинетическую теорию - раздел молекулярной физики, объясняющий свойства вещества на основе представлений об его молекулярном строении и определенных законах взаимодействия между частицами вещества (атомами, молекулами). Считается, что частицы вещества находятся в непрерывном, беспорядочном движении, которое воспринимается как тепло. Также эта теория изучает эндотермические и экзотермические реакции. Однако исследовать в пласте эти реакции нельзя, так как для этого нужно знать внешние источники тепловой энергии. Существуют гипотезы, что изолированное тело полезного ископаемого, окруженное сверху и снизу породными пластами осадочного происхождения, нагревалось под действием повышенной температуры и давления в земных недрах. Известно правило Хильта (1873 г.), что с увеличением стратиграфической глубины наблюдается закономерное повышение степени метаморфизма углей. При одном и том же составе исходного растительного материала выход летучих веществ, количественно отражающий степень метаморфизма углей, на нижних горизонтах пласта меньше, чем в вышележащих. Эти гипотезы подтверждаются на практике, но научно не обоснованы.
Торфяник формировался на практически ровной па-леоповерхности. Влияние внешних источников если и было, то в течение незначительного исторического периода времени. Нагревание огромных площадей, занятых отдельными пластами и свитами пластов, сомнительно.
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОННО-ВОЛНОВОЙ ФИЗИКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Теория электронно-волновой физики угольных пластов является научной областью квантовой механики и дает целостное представление о природных физических закономерностях изменения молекулярной структуры в
ВНУТРЕННЯЯ ТЕПЛОВАЯ ЭНЕРГИЯ ПЛАСТОВ
Авторы статьи считают, что динамика физико-химических процессов происходила в период торфо-накопления в результате воздействия испускаемых Солнцем электромагнитных излучений энергии. Получая энергию от Солнца и от соседних атомов происхо-
дил процесс дезагрегирования отмерших деревьев. На этот процесс оказывали влияние уровень грунтовой воды и ее щелочные или кислотные свойства, которые изменялись в периоды трансгрессивного или регрессивного перемещения береговой линии водоема. При уменьшении или отсутствии энергии солнечного воздействия атомы торфяника продолжали испускать тепловую энергию. Дополнительная энергия фотонов получалась в результате экзотермических реакций при получении новых продуктов, в том числе и метана. Таким образом, поддерживалась высокая температура в торфяной массе.
В период торфонакопления закладывались ограниченные участки с различной природной метаноносностью по слоям и по площади распространения торфяника. В щелочных условиях образовывалась рыхлая аморфная структура с преобладающими водородными и ван-дер-ваальсовыми межмолекулярными связями. На всех этапах метаморфизма угли коллоидного генезиса даже при высоком давлении уплотнялись слабо, несмотря на отщепление боковых цепей и удаление летучих компонентов. По нашим расчетам пористость макромолекулы в щелочных условиях - 25,4%, а в кислых условиях - 14,2 %.
ВЛИЯНИЕ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ
НА ОБРАЗОВАНИЕ МЕТАНА
В результате геологических деформаций торфяник перекрывался непосредственной и основной кровлей из различных пород. С увеличением мощности наносов увеличивалось горное давление на пласт. При физическом сдавливании орбиталей атомы угольного вещества увеличивали испускаемую энергию. Разрушались боковые группы макромолекул и увеличивалась пористость вещества. Образовывались молекулы метана, которые занимали эти поры. Максимальное давление молекул метана в критической фазе в порах и свободных пространствах пласта, рассчитанное по формуле Ван-дер-Ваальса, может достигать 14,57 МПа. Метан при таком давлении, занимающий в порах объем 0,25 м3, при выделении в выработку займет 45,9 м3. Если количество молекул в объеме меньше критического, давление газа будет ниже.
С увеличением глубины происходило увеличение энергии испускаемых атомами фотонов и массового количества метана в свободной форме, а также повышение температуры угля. Опыт показал, что на отдельных участках пласта в массиве под действием этих фотонов и экзотермических реакций происходят локальное нагревание и возгорание угля. Для снижения температуры бурят шпуры и нагнетают воду в пласт. Дополнительное образование свободного метана происходит в зонах опорного давления впереди горных выработок.
УСЛОВИЯ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ МЕТАНА
Локальные участки с щелочными условиями формирования торфяника в период углефикации являются местами образования высокой массовой концентра-
ции метана в свободном состоянии. Исследованиями Е.А. Колесниченко на шахтах, разрабатывавших угольные пласты Воркутского месторождения, установлено, что все 267 внезапных выбросов метана произошли из пачек сажистого мягкого угля, расположенных в местах слияния двух пластов. Увеличение мощности мягких слоев в местах выбросов подтверждает озерный характер их формирования. На рис. 1 показан разрез участка пласта «Мощный», на котором видно, что внезапные выбросы происходили из мягкого сажистого слоя в районе расслоения пласта «Мощный» на пласты «Тройной» и «Четвертый».
Анализ показал, что текстура и структура угля в мягком слое и в окружающих пачках плотного угля различны. В мягком слое они представлены аморфной массой с крупными порами. В этой массе преобладают водородные и ван-дер-ваальсовые межмолекулярные связи. Сажистый цвет показывает, что уголь имеет высокую концентрацию ароматических групп углерода. Из химических элементов боковых групп макромолекул образовался газ метан. Об условиях образования участка говорит зольность, процентное содержание которой в мягком сажистом слое в очагах выбросов меньше, чем во вмещающих прочных пачках. Однако концентрация зольности в сажистом слое вокруг очагов выброса в два раза больше, чем в прочных пачках. Большое количество глинистых веществ в пограничных зонах с очагами выбросов указывает на фации проточных вод. Зольные глинистые барьеры ограничивают фильтрацию метана между участками с высокой метаноносностью, несмотря на значительный градиент давления метана в пласте. В результате образуются локальные очаги повышенного содержания метана и выбросоопасности.
Исследования изменения природной метаноносности в мягком слое пласта «Мощный» были проведены при вымывании серии передовых полостей в штреке 1221-С. Расчеты выделяющегося метана выполнены лабораторией внезапных выбросов ВостНИИ. В штреке на участке длиной 385 м ранее произошли два внезапных выброса метана. Во время замеров на этом участке при вымывании серии полостей из мягкого слоя мощностью 0,2 м выделялось от 2 до 103,5 м3 метана на 1 т обработанного призабойного участка, а суммарные выделения из прочных слоев пласта - от 1,9 до 39,3 м3/т (рис. 2). На участке длиной 175 м из мягкого слоя выделения метана не превышали 25 м3/т. Максимальные значения были на расстоянии 15 м от места, где ранее выбросило 18 т угля и 3000 м3 метана.
g>
м'/т 10
о g.
и У г 90
70
50
iL- О !
д^А 1
/ V' V --- f ф! о V
20
50
80
110
140
170
Î0
10
— — — -- - i
l
À.
1 / IV
1.
—1 —
1 '
V J 1
/ \ ' J 1 ' IL' 7 i f \ Д
■— А /1 Г It ft
L,m
25 50 75 100 L,m
Рис. 2. Изменение метаноносности угля по штреку 1221-С: а - на прямолинейном участке штрека; б - после первого поворота штрека; 1 - в выбросоопасном слое; 2 - в остальных прочных слоях
ВЫВОДЫ
В современных условиях интенсивного разрушения метаноносных угольных пластов основными способами предотвращения газодинамических проявлений должны быть идентификация участков пласта с высокой природной метаноносностью и их предварительная дегазация.
Теоретическая новизна работы заключается в обосновании новых природных закономерностей формирования и последующего изменения макромолекуляр-ной структуры органического вещества на всех стадиях превращения торфяника в современные угольные мета-ноносные пласты. В основе этих превращений лежат закономерности природного генезиса торфообразования. Теоретической новизной является обоснование способа получения внутренней тепловой энергии в изолированном теле пласта и закономерностей испускания тепловой энергии в виде электромагнитных волн (фотонов) в процессе метаморфизма и образования метана.
Практическая ценность состоит в обосновании возможных методов идентификации участков с повышенным содержанием метана для эффективной предварительной дегазации. Практической ценностью является обоснование способа увеличения концентрации метана в свободном состоянии, что повысит объем дегазируемого метана, снизит остаточную метаноносность в пласте и обеспечит метанобезопасность в горных выработках.
Список литературы
1. Stassart et Lemaire. Les dégagements instantanés de grisou dane les mines de houille de Belgique. 1910. Vol. 15. livr. 4.
2. Черницын Н.Н. Рудничный газ и условия его выделения. СПБ, 1917.
3. Быков Л.Н. Изогазы и теория происхождения очагов внезапных выделений. М. - Л.: Горно-геологическое издательство, 1932. 132 с.
4. Ходот В.В. Внезапные выбросы угля и газа. М.: ГНТИ, 1961. 363 с.
5. Classification technique for danger classes of coal and gas outburst in deep coal mines / Xueqiu He, Wenxue Chen, Baisheng Nie, Ming Zhang // Safety Science. 2010. Vol. 48. Pp. 173-178.
6. Numerical Analyses of the Major Parameters Affecting the Initiation of Outbursts of Coal and Gas / Sheng Xue, Liang Yuan, Yucang Wang, Jun Xie // Rock Mech Rock Eng. 5 May 2013.
7. A numerical model for outburst including the effect of adsorbed gas on coal deformation and mechanical properties / Feng-hua An, Yuan-ping Cheng, Liang Wanga, Wei Li // Computers and Geotechnics. 2013. Vol. 54. Pp. 222-231.
8. Li Shugang, Zhang Tianjun. Catastrophic mechanism of coal and gas outbursts and their prevention and control // Mining Science and Technology. 2010. Vol. 20. Pp. 0209-0214.
9. Daniel D. Joseph, Kang Ping Chen. A new mechanistic model for prediction of instantaneous coal outbursts - Dedicated to the memory of Prof // International Journal of Coal Geology. 2011.
Vol. 87. Pp. 72-79.
10. Айруни А.Т. Прогнозирование и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах. М.: Наука, 1987. 310 с.
11. Lama R., Saghafi A. Overview of gas outburst and unusual emissions / Coal 2002: Coal Operators' Conference, University of Wollongong & the Australasian Institute of Mining and Metallurgy. 2002. Pp. 74-88.
12. Coal and gas outbursts in footwalls of reverse faults / Yunxing Cao, Dingdong He, David C. Glick // International Journal of Coal Geology. 2001. Vol. 48. Pp. 47-63.
13. Влияние разложения газовых гидратов на рост трещин в массиве угля впереди забоя подготовительной выработки / В.Г. Смирнов, В.В. Дырдин, З.Р. Исмаги-лов, Т.Л. Ким // Известия вузов. Горный журнал. 2016. № 3. С. 96-103.
14. Макогон Ю.Ф., Морозов И.Ф. Внезапные выбросы и участие в них метана в гидратном состоянии // Безопасность труда в промышленности. 1973. № 12. С. 36-37.
15. Жемчужников Ю.А. Общая геология каустобиоли-тов. М. - Л.: Главная редакция геологоразведочной и геодезической литературы, 1935. 548 с.
16. Иванов Г.А. Угленосные формации. Закономерности строения, образования, изменения и генетическая классификация. Л.: Наука, 1967. 407 с.
17. Вальц И.Э. Первичные и диагенетические изменения микроструктуры растительного материала на торфяной и буроугольной стадиях. Вопросы метаморфизма углей и эпигенеза вмещающих пород. Л.: Наука, 1968. С. 15-25.
18. Богданова М.В. Закономерности изменения бурых углей Украины в процессе углефикации. Вопросы метаморфизма углей и эпигенеза вмещающих пород. Л.: Наука, 1968. С. 25-36.
19. Теория электронно-волновой физики угольных пластов / И.Е. Колесниченко, В.Б. Артемьев, Е.А. Колесничен-ко и др. // Горная промышленность. 2018. № 5. С. 86-89.
а
б
SAFETY
UDC 622.411.332:661.92:622.812.001.1 © I.E. Kolesnichenko, V.B. Artemiev, E.A. Kolesnichenko, 2019 ISSN 0041 -5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 7, pp. 36-41
Title
THE EVOLUTION OF METHANE SAFETY STUDY METHODS IN THE DEVELOPMENT OF COAL SEAMS
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-7-36-41
Authors
Kolesnichenko I.E.1, Artemiev V.B.2, Kolesnichenko E.A.1,
' Shakhty road institute (branch) Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Shakhty, 346500, Russian Federation 2 "SUEK" JSC, Moscow, 115054, Russian Federation
Authors' Information
Kolesnichenko I.E., Doctor of Engineering Sciences, Professor,
Head of "Design and construction of highways" department,
Deputy Director, tel.: +7 (8636) 22-75-49,
e-mail: kolesnichenko-igor@rambler.ru
Artemiev V.B., Doctor of Engineering Sciences,
Deputy General Director - Production Operations Director,
e-mail: pr_artem@suek.ru
Kolesnichenko E.A., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Professor of "Design and construction of highways" department, tel.: +7 (8636) 25-97-83, e-mail: kolesnichenko-2718@rambler.ru
Abstract
The paper is devoted to methane safety problems in the development of coal seams. The analysis of factual data and intuitive ideas about methane content in coal seams is presented. At the first stages of studying the sudden methane emissions that occurred, the molecular structure of organic matter in coal seams was not taken into account. The methods used for predicting sudden emissions do not take into account natural patterns. Developed methods for dealing with sudden outliers are performed blindly in mines. The features of the proposed theory of electron-wave coal seam physics are given. The theory takes into account the genetic patterns of the formation of the molecular structure of coal and complements the patterns of the molecular-kinetic theory of physicochemical reactions during coalification and metamorphism periods. The results of experimental evidence of non-uniform emissions of methane by layers and length of the investigated output are given.
Keywords
Coal seam, Layer, Methane abundance, Sudden release, Hypotheses, Methane, Formation effect, Molecule, Atom, Photon, Carbon, Hydrogen, Coal reduction, Molecular kinetic, electron-wave theory, Stratigraphic depth.
References
1. Stassart et Lemaire. Les degagements instantanes de grisou dane les mines de houille de Belgique. 1910, Vol.15, livr. 4.
2. Chernitsyn N.N. Rudnichnyy gaz i usloviyayego vydeleniya [Mineral gas and conditions for its release]. St.Petersburg, 1917.
3. Bykov L.N. Izogazy i teoriyaproiskhozhdeniya ochagov vnezapnykh vyde-leniy [Isogases and the theory of the origin of foci of sudden discharge]. Moscow - Leningrad, Gorno-geologicheskoye izdatel'stvo Publ., 1932. 132 p.
4. Khodot V.V. Vnezapnyye vybrosy uglya igaza [Sudden coal and gas emissions]. Moscow, GNTI Publ., 1961, 363 p.
5. Xueqiu He, Wenxue Chen, Baisheng Nie & Ming Zhang Classification technique for danger classes of coal and gas outburst in deep coal mines. Safety Science. 2010, Vol. 48, pp. 173-178.
6. Sheng Xue, Liang Yuan, Yucang Wang & Jun Xie Numerical Analyses of the Major Parameters Affecting the Initiation of Outbursts of Coal and Gas. RockMech RockEng, 5 May 2013.
7. Feng-hua An, Yuan-ping Cheng, Liang Wanga & Wei Li A numerical model for outburst including the effect of adsorbed gas on coal deformation and mechanical properties. Computers and Geotechnics, 2013, Vol. 54, pp. 222-231.
8. Li Shugang & Zhang Tianjun. Catastrophic mechanism of coal and gas outbursts and their prevention and control. Mining Science and Technology, 2010, Vol. 20, pp. 0209-0214.
9. Daniel D. Joseph & Kang Ping Chen. A new mechanistic model for prediction of instantaneous coal outbursts - Dedicated to the memory of Prof. International Journal of Coal Geology, 2011, Vol. 87, pp. 72-79.
10. Ayruni A.T. Prognozirovaniye i predotvrashcheniye gazodinamicheskikh yavleniy vugol'nykhshakhtakh [Prediction and prevention of gas-dynamic phenomena in coal mines]. Moscow, Nauka Publ., 1987, 310 p.
11. Lama R. & Saghafi A. Overview of gas outburst and unusual emissions. Coal 2002: Coal Operators' Conference, University of Wollongong & the Australasian Institute of Mining and Metallurgy, 2002, pp. 74-88.
12. Yunxing Cao, Dingdong He & David C. Glick Coal and gas outbursts in footwalls of reverse faults. International Journal of Coal Geology, 2001, Vol. 48, pp. 47-63.
13. Smirnov V.G., Dyrdin V.V., Ismagilov Z.R. & Kim T.L. Vliyaniye razloz-heniya gazovykh gidratov na rost treshchin v massive uglya vperedi zaboya podgotovitel'noy vyrabotki [The effect of decomposition of gas hydrates on the growth of cracks in an array of coal ahead of the face of the preparatory production]. Izvestiya vuzov. Gornyy zhurnal - News of universities. Mining Journal, 2016, No. 3, pp. 96-103.
14. Makogon Yu.F. & Morozov I.F. Vnezapnyye vybrosy i uchastiye v nikh metana v gidratnom sostoyanii [Sudden emissions and participation of methane in a hydrated state]. Bezopasnost' truda vpromyshlennosti- Industrial Safety, 1973, No. 12, pp. 36-37.
15. Zhemchuzhnikov Yu.A. Obshchaya geologiya kaustobiolitov [General geology of caustobioliths]. Moscow-Leningrad, Glavnaya redaktsiya ge-ologorazvedochnoy i geodezicheskoy literatury Publ., 1935, 548 p.
16. Ivanov G.A. Uglenosnyye formatsii. Zakonomernosti stroyeniya, obra-zovaniya, izmeneniya i geneticheskaya klassifikatsiya [Carboniferous formations. Patterns of structure, education, changes and genetic classification]. Leningrad, Nauka Publ., 1967, 407 p.
17. Valts I.E. Pervichnyye i diageneticheskiye izmeneniya mikrostruktury rastitel'nogo materiala na torfyanoy i burougol'noy stadiyakh. Voprosy metamorfizma ugley i epigeneza vmeshchayushchikh porod [Primary and diagenetic changes in the microstructure of plant material in the peat and brown coal stages. Issues of coal metamorphism and host rocks epi-genesist]. Leningrad, Nauka Publ., 1968, pp. 15-25.
18. Bogdanova M.V. Zakonomernosti izmeneniya burykh ugley Ukrainy v protsesse uglefikatsii. Voprosy metamorfizma ugley i epigeneza vmeshchayushchikh porod [Patterns of change of brown coal in Ukraine in the process of coalification. Issues of coal metamorphism and host rocks epigenesist]. Leningrad, Nauka Publ., 1968, pp. 25-36.
19. Kolesnichenko I.E., Artemiev V.B., Kolesnichenko E.A. et al. Teoriya elektronno-volnovoy fiziki ugol'nykh plastov [Theory of electron-wave coal bed physics] / // Gornaya promyshlennost' - Mining industry, 2018, No. 5, pp. 86-89.
