CC BY
38
A. Е. ПЕР ЕЖИЛО В Е. Я. ДИ КОЛЕН КО
П. А. КОЧЕН О В
Ю.И.СТАХЕЕВ Т.А.ИБРАЕВ
B. С. ХАРЬКОВСКИЙ
Геохимические основы прогноза динамических явлений в подземных выработках
п
од динамическим явлением в
подземных выработках понимается внезапно возникающее и протекающее с высокой скоростью движение горных пород без участия газа и с его участием вблизи выработок, сопровождающееся динамическим эффектом. К ним относятся внезапные выбросы угля, соли, породы и газов, горные удары, разрушения предохранительных целиков и др.
Динамические явления в подземных выработках помимо опасности для жизни работающих сопряжены с уменьшением объемов добычи полезного ископаемого из-за остановок забоев, нарушения параметров системы разработки, с увеличением потерь подготовленных к выемке запасов, с повреждением оборудования, его простоя, с уборкой, транспортированием и переработкой выброшенной горной массы и т.д.
Различают три метода прогноза выбросоопасности угольных пластов:
а) региональный, который должен давать представление о
выбросоопасности пластов до разработки угольного месторождения или шахтного поля;
б) локальный, цель которого состоит в определении выбросоопасности шахтопласта непосредственно после его вскрытия и в процессе ведения горных работ;
в) текущий, целью которого является выявление в процессе ведения горных работ невыбросо - и выбросоопасных зон, а так же мест проявления выбросов в опасных зонах.
Множество гипотез о причинах и природе выбросов обусловило
многообразие методов прогноза выбросоопасности угля, соли, породы и газа, что свидетельствует о сложности этого до конца не познанного явления.
Все разработанные методы прогноза, например для подготовительных забоев угольных шахт предусматривают периодическое опробование,
распространяются на период до следующей проверки, в течение которой забой, по существу не контролируется. Для выполнения профилактических мероприятий комбайн каждый раз выводят из забоя, монтируют буровое оборудование, насосы для
предварительного увлажнения угля в массиве и т. д. Кроме того, при комбайновом способе проведения выработок ввиду относительно высокой эксплуатационной скорости их подвигания и локальности проявления выбросоопасности пласта периодический контроль за опасным состоянием пласта приведет к неоправданному снижению производительности труда, когда профилактические мероприятия будут выполняться на участках, где они не вызываются необходимостью.
В июне 1993г. в ИГД им. А.А.Скочинского (г. Люберцы) было проведено заседание по рассмотрению подготогвленного Научным советом РАН по проблемам горных наук вопроса о состоянии проблемы прогноза и предотвращения внезапных выбросов угля, соли, породы и газа.
В докладах и при обсуждении отмечено, что в России разрабатываются
94 опасных и 140 угрожаемых по внезапным выбросам угольных пластов. При разработке калийно-соляной пластов Верхней Камы произошло более 260 газодинамических явлений.
Несмотря на определенные достижения ряда институтов в этой области до сих пор не разработана единая теория внезапных выбросов угля, соли, породы и газов, недостаточно высока
достоверность применяемых методов прогноза и не всегда эффективны способы их предотвращения.
На основе накопленного опыта при разработке выбросоопасных пластов за рубежом по переводу их в неопасное состояние предложено проблему внезапных выбросов угля, соли, породы и газа решать в трех направлениях /1/:
• разработка теории газодинамических явлений в подземных выработках с учетом ... знаний по землетрясениям и горным ударам;
• дальнейшее совершенствование с целью повышения достоверности методов прогноза ... с применением средств автоматизации контроля, обработки и сигнализации;
• развитие методов предотвращения внезапных выбросов с созданием новых нетрадиционных и технологических способов воздействия на угольные и соляные пласты.
Подготовка землятресений длительный процесс, завершающийся тектоническим разрывом и
сопутствующим сейсмическим толчком. М.В.Гзовский выделил следующие стадии формирования тектонических разрывов;
• зарождение и разрастание многочисленных изолированных трещин, которое сопровождается слабыми землетрясениями;
• лавинообразное разрушение перемычек между трещинами и их слияние в общий разрыв. Если при этом образуется крупный разрыв, случается сильное землетрясение;
• концентрация напряжений у концов образовавшегося разрыва, в результате
чего происходит растрескивание и фиксируются вторичные толчки;
• продолжающееся смещение бортов разрыва; что вызывает появление мелких трещин и слабые толчки;
• залечивание полости разрыва минеральными новообразованиями.
Он показал, что градиент тектонических напряжений обусловливает появление горизонтальных тектонических сил, которые в сейсмологии и геотектонике оценивают по
максимальным касательным
напряжениям. Схема районирования территории б. СССР по уровню касательных напряжений приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема районирования территории б. СССР по абсолютному значению верхнего пред« максимальных касательных напряжений в земной коре| (по М.В.Гзовскому):
I-IV - типы областей с различным уровн горизонтальнвх напряжений
Модель лавинно-неустойчивого трещинообразования (JIHT-модель
разработана в Институте Физики Земля
б. АН СССР (В.Н.Мячкин, Б.В.Костров. Г.А.Соболев, О.Г.Шамина). На разныт стадиях подготовки землетрясения происходит изменение количес размеров и ориентации трещин модель позволяет объяснить природ* некоторых предвестников землетрясений. Как отмечает один из авторов JIHT-модели геофизик предшествующие эффекты изменения
Г.А.Соболев
землетрясен электрическо сопротивления и скоростей сейсмическ
волн не получают объяснения, если не учитывать водонасыщенность пород.
Дилатантно-диффузионная модель подготовки землетрясений (ДД-модель) разработана американскими
специалистами (Hyp, Андерсон, Виткомб, Шольц и др.). Согласно ДД-модели на первой стадии подготовки землетрясений напряжения возрастают, однако величина их недостаточна для образования или раскрытия трещин. Когда напряжения достигают определенного уровня, наступает вторая стадия -дилатансии (увеличение объема горных пород при сдвиговых деформациях). При этом появляются открытые трещины.
Основу ДД-модели составляет изменяющееся в процессе подготовки землетрясений соотношение между количеством и объемом образовавшихся трещин и поступлением воды в эти трещины, что соответственно изменяет прочность пород.
ДД-модель не позволяет
удовлетворительно объяснить
(Г.А.Соболев и др.)каким образом мелкие илатантные трещины преобразуются в главный сейсмический разрыв. По механизму образования землетрясения подразделяют на несколько классов, связанные: а) с обрушением полостей и аналогичными явлениями, б) с вулканическими толчками, в) с ектоническими процессами /2/.
Наиболее распространенной причиной" землетрясений является ектоническая активность. Доказано, что ерхняя мантия земной коры постоянно
этом во многих местах
апряжена, при находится на емлетрясения
грани устойчивости, связаны тесно с ормированием разломов, действительно прощенно можно представить, что
формирование разлома является механизмом очага землетрясения. Его можно рассматривать как "фокус", имеющий определенные координаты и проявляющий активность в четко фиксируемое время. Такой механизм согласуется с локальной ориентировкой системы глобальных напряжений. Деформация упругого тела в зоне сейсмического очага пропорциональна квадратному корню из накопленной в нем упругой энергии.
Принципиальная основа решения проблемы землетрясений состоит в установленном факте, что перед землетрясением меняются физические свойства горных пород. Возникают аномалии разного рода геофизических полей: сейсмического, поля скоростей упругих волн, электрического,
магнитного, аномалии в наклонах и деформациях поверхности,
гидрогеологическом и газохимическом режиме и т.д. В сущности на этом и основано проявление большинства предвестников, известны сейчас свыше 300, из них 10-15 неплохо изучены. Прогноз землетрясения считается полным и практически значимым в случае заблаговременного предсказания трех элементов будущего события: места, интенсивности (магнитуды) и времени толчка. Карта сейсмического
районирования (рис.2), как утверждают специалисты в этой области, даже самая надежная, в лучшем случае дает сведения о возможной максимальной
интенсивности землетрясений и средней частоте их повторения в какой-то зоне. Она содержит необходимые элементы прогноза за исключением главнейшего -предсказания времени события.
щшшш
^Miilp
¡■lili жщЩжжт
ттттжж фшштшШ
щш
ттшт
тшш
тштж
тШШтш
mm
»AWA4
ш
шшш
Толстый
внезапным
особо оп^ШьШИо
!•.«••••*■«••• •мм.»*«»»'«»»**
1111И1ШШ1М11|1
"!!!.... !)!" !.:..:............................ ..........................
¡ I ШйШгнШЯШШй
Ссшёный
рпасныигю
»••••mm •••»•« •»••*••
внезапным
INVWVXVSIJTÀ^ :•:•*:•••■ -.As*:
s.' '
• •»••.m.
'ШШШШШШ
«•••••■•••■••«а •••»••••••»••••••%•••«•»••••••• •••«
»#•• ................................ .t».«.. «••••
внезапном
-
:::::::
lililí
• ' КЩЯ
ш M fp¿§: fligi^
........
>•••1-0» •.« м« • »•••J • •
I«•••••*#««••« *
iîiiîtî'
::::::
I::::!;::::::;::::!::::::::;
Ш......,.«.. • • I
• •(•■•••»«••••••I......».
ШШ
ШШшёЬшЫШШшт
и 0,032) 10-4%
ис. 2. Карта сейсмического районирования территории б. СССР: 1-зоны возможных очагов сильных областей гмлетрясений с магнитудой более 6;2 - границы между зонами различной бальности: 3 - индексы у цифр бальности низу справа обозначают, что в ближайшие 50 лет землетрясение соответствующей интенсивности может произойти вероятностью 0.5, 0.95 и 0.995
\ последние годы большое внимание деляется поиску наиболее
нформативных предвестников
емлетрясений как достаточно
ерспективных для краткосрочного их рогноза. Аномалии в химическом оставе подземных вод, как правило, ¡меют небольшую длительность (1...3 ;ня) и проявляются в период от 1 до 10 ;ней до предстоящего сейсмического обытия.
В основу механизма возникновения номалий в составе подземных вод в [ериод, предшествующий
емлетрясениям, положено представление ► том, что в действующую водонапорную истему поступают за сравнительно ороткий промежуток времени в форме омпактных зон воды иного состава, оторые без существенного смешения с одами данного водоносного горизонта с оком фазы-носителя подаются на
поверхность. Эти воды отличного состава формируются в зоне подготовки землетрясений в процессе развития трещинообразования с ростом тектонических напряжений вследствие трех причин: смешения вод ранее изолированных водоносных горизонтов, усиления подтока глубинных флюидов, поступления в водоносный горизонт отжатых из пород поровых растворов, газов и паров.
Более удачными были прогнозы на основе данных о вариациях летучих компонентов, в том числе инертных газов: радона, гелия, а также паров ртути
/3/.
Сотрудниками института Физики Земли б. АН СССР и ГЕОХИ б. АН СССР с участием ряда институтов б. АН СССР был подготовлен и проведен крупномасштабный эксперимент на 50000-тонном прессе института Физики
■
высоких давлений б. АН СССР по разрушению образцов базальта (высота 91,5 см, размеры основания 58X57,5 см) и гранита (высота 70 см, размеры
основания 70x69 см) при циклически возрастающем одноосном сжатии вплоть до разрушения. Наряду с изменением физических полей впервые исследовался химический состав летучих компонентов, выделяющихся при механических нагрузках, имея в виду как один из возможных механизмов поступления вещества при формировании
гидрогеохимических предвестников
землетрясений.
Экспериментально установлено увеличение на 1...2 порядка количества летучих компонентов, выделяющихся из пород при механическом нагружении. Оценка количества летучих компонентов позволяет утверждать, что этот источник вещества способен вносить существенный вклад в формирование
гидрогеохимических предвестников
землетрясений. Соответствующее
повышение концентрации этих компонентов с ростом тектонических напряжений в процессе подготовки землетрясений может надежно
фиксироваться современными
приборами.
Особое внимание исследователей привлекает ртуть и ее соединения, которые характеризуются низкими значениями энергии связи с породообразующими минералами и высокими значениями коэффициентов диффузии в горных породах, хорошей подвижностью и, как правило, при сравнительно невысокой температуре ртутные минералы разлагаются, причем ртуть рассеивается, мигрируя от очага возникших напряжений.
Известно, что поток ртути глубинного происхождения "земная кора-атмосфера" регистрируется в любой точке планеты и
имеет величину Ф=0,22х109 г/м2 ч, данные других исследователей близки к этой величине и колеблятся в диапазоне Ф=(0,36...3.9) Ю-9 г/м2 ч.
В минерально-геохимическ отношении различают:
• месторождения с рудами относитель простого состава (монометальные' ртутные;
• месторождения с рудами сложнс состава - сурьмяно-ртутн мышьяково-ртутные, сурьмя мышьяково-ртутные или сурьмя
медно-ртутные;
По характеру связи с магматизмо1
группам:
• вулканогенных гидротермаль* месторождений относя месторождения и рудопроявле ртути, расположенные в облас современного и недавного вулканиз и связаны с горячими источникам фумарольной деятельностью;
• эпитермальных-ртутные месторождения, приуроченные поясам и зонам, кото] пространственно совпадают системами глубинных разло длительного развития;
• телетермальных - либо наибе вероятна весьма отдаленная ci орудения с невскрытыми глубинш магматическими очагами, либо след допустить внемагматичес происхождение рудообразую) растворов.
Все ртутные месторожде формируются или в послех заключительные стадии разв* подвижных складчатых зон, или последующих стадиях повтор* орогенеза, тектоно-магматичес
активизации складчатых областей также на • стадии послеплатформе* активизации древних платформ, видимому, это обусловлено тем, чте этих стадиях формируются обновляются глубокие разломы, в числе глубинные, проникающие пределы верхней мантии, способствовало появлению ш интрузий основного сост
производных глубоких подкорс
магматических очагов и связанной с ними минерализации.
На основе анализа накопленных материалов по геологии месторождений и ртутоносных территорий
(В.А.Кузнецовым) /4/ сделана попытка типизации ртутных провинций (рис.3).
Известно, что используя автоматический атомно-флуоресцентный ртутный фотометр (предел обнаружения ртути 10 й г), было зарегистрировано два импульса повышения концентрации ртути перед местным землетрясением в Душанбе 29.09.1981г. силой в 3 бала с эпицентром в районе Султанабада, 15...20 км юго-восточнее Душанбе. За 29 ч до землетрясения поток паров ртути возрос в 5 раз, а за 19 ч - в 90 раз относительно фонового уровня. По мнению авторов существенное влияние глубинных флюидов в этом случае не реально, основной вклад в формирование гидрогеохимического предвестника
вносит ртуть, отжимая из близлежащих пород с ростом тектонических напряжений.
Исследование ртутоносности углей и соли связано не только с необходимостью комплексного их использования и санитарно-гигиеническими требованиями охраны окружающей среды от вредных содержаний ртути в атмосфере, но и возможностью прогнозирования
динамических явлений в подземных выработках.
Известно, что активное развитие земной коры обеспечивается вещественно энергетическим обменом с верхней мантией, который осуществляется по связующим каналам - глубинным разломам. При поступлении в верхние горизонты земной коры глубинный поток расплавов, флюидов и газов, встречая на своем пути тектонические или стратиграфические экраны, меняет направление движения с вертикального на горизонтальное и распространяется по
наиболее проницаемым участкам горного массива.
По отношению к окружающим горным породам (песчаникам и др.) угольные пласты являются более пластичными, менее вязкими, более податливыми к деформациям. Уголь как
высокопористый сорбент обладает способностью улавливать движущийся тепломассопоток, поглощая входящие в его состав летучие компоненты, аккумулируя таким образом вещество и энергию, поступающие из глубоких недр, и формируя зоны эндогенно-активного угля, насыщенного сжатым газом и обладающего высоким энергетическим потенциалом, что, по мнению Е.П.Ивановой-Беспощадной собственно и определяет их склонность к внезапным выбросам угля и газа при ведении горных работ, изменяющим естественный ход течения процессов /5/.
Формы нахождения ртути в углях различные. Киноварь встречается в пластах каменного угля на участках ртутных месторождений и проявлений вблизи рудных тел и трещиноватых зон с эндогенной минерализацией. Скопления киновари образуются под
трещиноватыми линзами угля. По данным А.П.Большакова содержание ртути в пробах перетертого угля на небольших участках достигает 1 %.
Скопление металлической ртути приурочено к линзе в углисто-глинистых сланцах. Она расположена в ядре куполовидной складки в участках небольшого флексурного перегиба в тектоническом "клине" между
трещинами. Металлическая ртуть концентрируется в тонких включениях органического вещества в виде капелек, размер которых достигает 1 мм.
В пластах каменного угля вблизи рудных тел металлическая ртуть накапливается и в гуминовых кислотах.
Рис. 3. Схема размещения ртутных провинций б. СССР: I - провинции альпийских складчатых областей; 2 -провинции мезозойских складчатых областей, 3 - провинции мезозойского Охотско-Чукотского вулканогенного пояса; 4 - провинции активизированных палеозойских и байкальских складчатых областей; 5 - провинции активизированных платформ (краевых поднятий, прогибов, срединных массивов); 6 - границы древних платформ; 7 - границы Средиземноморского альпийского пояса; 8 - главнейшие разломы; 9 - ртутные зоны-пояса
Ртутные провинции:
Средиземноморского пояса; 1-Закарпатская, П-Кавказская, Ш-Донецкая, 1У-Копетдагский район, У-Кугитанг; Тянь-Шань-Южно-Сибирского пояса: УЬТянь-Шаньская, УИ-Чарский район, УН-Алтае-Саянская, 1Х-район юга Сибирской платформы и Присаянья, Х-район Енисейского кряжа; Х1-Забайкальная провинция Тихоокеанского пояса, ХИ-Верхояно-Колымская, ХШ-Охотско-Чукотская, Х1У-Корякско-Камчатская, ХУ-Приморская, ХУ1-Сахалинская
Наиболее распространенная форма ртути фонового уровня в углях и породах представлена в виде примеси в сульфидных минералах. Особенно это относится к пириту, содержание ртути в котором значительно выше, чем в углях. Небольшое количество ртути в виде органических соединений находится в углях низких марок. В породах с фоновым содержанием встречаются менее распространенные формы ртути водо- и кислоторастворимые.
До сих пор не существует единого мнения о генезисе ртути в углях. Участки с повышенным содержанием ртути в угольных пластах совмещаются с ртутными зонами. Они тяготеют к узлам
пересечения глубинных разломов, которые оказались наиболее
благоприятными структурами для проникновения гидротермальных
растворов и локализации оруденения в антиклинальных складках и купольных поднятиях, осложненных надвигами, сбросами и другими тектоническими нарушениями.
Неоднородность форм нахождения ртути в углях свидетельствует о различных ее источниках накопления. Основным из которых является эпигенетическая ртуть, привнесенная гидротермальными растворами,
сформировавшими ртутные и свинцово-цинковые месторождения. Практикой
доказано, что повышение содержания туги в углях по мере увеличения метаморфизма обусловлено не столько лереспределением ее и других компонентов в пластах углей, сколько привносом гидротермальными
растворами. На основе учета форм нахождения ртути в углях, ее фоновое содержание в каждом из районов Л.Г.Дворников условно связывает с сингенетическими процессами
угленакопления, а аномальное эпигенетическими.
Угольные пласты в Донецком бассейне располагаются гипсометрически выше ртутных и полиметаллических
месторождений, что приводит к заметному обогащению органического вещества металлами.
В научно-теоретических исследованиях закономерностей углеобразования
(Г.А.Иванов, Г.Ф.Крашенинников,
Л.Б.Рухин и др.) связь масштаба углеобразования, характера
угленосности, пространственного
размещения угольных месторождений (бассейнов), принципиальных
особенностей их геологического строения и качества углей с тектоническим развитием соответствующих областей отражена в учении об угленосных анти- и синклиналей (рис.4).
Структурные формы залегания угленосных отложений разнообразны. Основные пликативные формы часто осложнены дополнительной
складчатостью более мелких порядков, флексурами и разрывными нарушениями, разнообразными по характеру и амплитудам-взбросами, надвигами,
сбросами, сдвигами и др.
В этой связи в 1985г. была выдвинута гипотеза о возможности контроля устойчивости горного массива (Патент РФ №2013561), в основу которой положено наличие взаимосвязи между выходом паров ртути при механическом
нагружении массива и потерей его устойчивости.
В качестве объектов исследования представлены образцы угольных пластов: Кю и К12 (шахта "Саранская" ПО "Карагандауголь"); шз, 1з, кл, к4, Ь (шахта им. Румянцева ПО "Артемуголь"), Иб (шахта им. А.А.Скочинского ПО "Донецкуголь"), Ню (шахта им.
М.И.Калинина ПО "Донецкуголь"), Г« (шахта им. 9-й Пятилетки ПО "Советскуголь"), Пм+13+12 (шахты Юр-Шор и Воркутинская ПО "Воркутауголь") и пи (шахта Хальмер-Ю ПО "Воркутауголь") и Пп (шахта "Комсомольская" ПО "Воркутауголь").
К геосинклинальным бассейнам принадлежит Печорский и Кузнецкий бассейн и многие бассейны Юго-Восточной Азии.
Печорский бассейн складчатый. Состоит из ряда крупных и сложных анти-и синклиналей.
Дизъюнктивная тектоника повторяет закономерности пликативной тектоники. В южной части бассейна (в Интинском районе) разрывные нарушения редки. По направлению на север их значения и амплитуда возрастают с другой стороны, разрывные нарушения более развиты по мере приближения к Уральскому сооружению и Пай-Хою, близ которых распространены надвиги и взбросы.
В бассейне известно шесть угленосных районов, основные из них Хальмерьюский (Скловский),
Воркутинский и Интинский.
Большинство внезапных выбросов угля и газа приурочено к зонам геологической нарушенности пластов.
Применительно к условиям возникновения внезапных выбросов угля и газа тектонические нарушения угольных пластов разделены /7/ на три группы (например, Кузнецкого бассейна и Егоршинского месторождения).
НМ® МОСКВА
Якутск
°Свердловск
^ Новосибирск
лиси
Владивосток
Ташкент о Душанбе"--«
;
Минск Ленинград
Рис. 4. Угольные бассейны б. СССР
Бассейны: 1 -буроугольные, 2-каменноугольные: 1-Донецкий, 2-Днепропетровский, 3-Львовско-Волынский, 4 Подмосковный, 5-Печорский, 6-Кизеловский, 7-Челябинский. 8-Южноуральский, 9-Сосьвинско-салехардский, 10 Узгенский, 11-Карагандинский, 12-Экибастузский, 13-Майюобенский, 14-Тениз-Коржункульский, 15-Тургайскин 16-Урало-Каспийский, 17-Кузнецкий, 18-Горловский, 19-Минусинский, 20-Улухемский, 21-Канско-Ачинский, 22 Тунгусский, 23-Таймырский, 24-Иркутский, 25-Ленский, 26-Зырянский, 27-Южно-Якутский, 28-Нижне-Зейский, 29 Буреинский, 30-Раздольненский, 31-Угловский, 32-Партизанский, 33-Сахалинский, 3-наиболее крупны« перспективно угленосные площади: 34-Припятско-Днепровская, 35-Камская, 36-Нижне-Илийская, 37-Обь Иртышская, 38-Усть-Енисейская, 39-Охотская, 40-0мсукчанская, 41-Омолонская, 42-Анадырская, 43-Чаун чукотская; 4-обособленные разрабатываемые месторождения
К первой группе отнесены дизъюнктивы, характеризующиеся
разрывами сплошности угольных пластов, при которых одна часть пласта перемещается относительно другой с образованием сдвоения или зияния (взбросы, надвиги, сдвиги, сбросы).
Вторая группа нарушений охватывает крупные пликативные нарушения типа анти-и синклинальных складок.
К третьей группе нарушений отнесены различные по своему характеру мелкие пликативные нарушения (флексуры, тектонические раздувы и пережимы, почвенные уступы и различного рода изменения внешней формы пласта) и такие тектонические образования, которые сопровождались изменениями формы пласта.
В строении складчатого Донбасса наблюдается четкая зональность. Она выражается в том, что центральная зона
или зона крупных складок делит регион на две почти равные части. Границам* между этими зонами являются глубинны; разломы, простирание которых в общю чертах субпараллельно северо-северо западной ориентировке региона /8/.
Стержневой элемент зоны крупные линейных складок - главный антиклинал параллельно которому к северу и югу 01 него выделяются менее протяженны« анти- и синклинальные структуры осложненные целой серие!
субмеридиальные стр у кту р ы
осложненные целой серие!
субмеридиальных разломов.
Внезапный выброс угля и газг представляет собой сложное
газодинамическое явление, протекающее в несколько стадий:
• накопление и перераспределение потенциальной энергии упругю
деформаций угольного пласта и вмещающихся пород в призабойной части в предельно напряженное состояние, образование трещин, предваряющее потерю устойчивости горного массива, приводит к изменению структуры порового пространства, перераспределению в порах и трещинах, повышению количества свободного газа и увеличению его энергии и, как следствие, приводит к
гидрогеохимическим аномалиям в окрестности потенциального очага внезапных выбросов угля, породы и газа;
• лавинообразное разрушение массива под действием горного и газового давления;
• вынос разрушенного угля (породы) в потоке расширяющегося газа;
• прекращение процесса разрушения угольного массива и постепенное уменьшение газовыделения.
Анализируя условия возникновения выбросов на нескольких пластах Центрального района Донбасса, проф. Л.М.Карпов сделал вывод об их приуроченности к линиям пережимов и сравнительно узким полосам пластов •величенной мощности. Проф. Л.Н.Быков отмечал, что внезапные выбросы приурочены либо к зонам геологических нарушений, либо к зонам, находящимся в непосредственной близости к ним. Убедительно проиллюстрирована связь выбросов с тектоническими нарушениями в работах 11.М.Печука, О.И.Чернова,
В.А.Шатилова, А.Я.Бовсуновской,
В.С.Вереды, А.Е.Ольховиченко,
В.И.Николина и других исследователей.
В тектоническом отношении Карагандинский бассейн представляет собой синклинорий широкого
простирания длиной 110 км и шириной в среднем 30-40 км /7/. Северное крыло бассейна имеет пологое (10-20, реже круче) падение и является сравнительно слабо нарушенным разрывными
смещениями. Южное крыло бассейна характеризуется крутым, часто опрокинутым на север падением; мелкой, но резко выраженной дополнительной складчатостью и многочисленными разрывными нарушениями. С запада бассейн ограничен крупным Тентекским разломом.
Бассейн делится на три крупные синклинали: Чурубай-Нуринскую,
Карагандинскую и Верхнесокурскую.
Во всех структурах бассейна развиты разрывные нарушения, но наиболее нарушенным является юг бассейна.
Общность в проявлении внезапных выбросов в угольных шахтах и калийных рудниках - факторы и процессы, вызывающие возникновение и протекание выбросов - (газоносность,
газодинамические характеристики,
напряженное состояние, прочностные и деформационные характеристики горных пород) и условие инициинирования выбросов (воздействие на горный массив).
Особенность калийных выбросоопасных пластов - образование области расслоения пород в кровле выработок, рост напряжений в зоне опорного давления, наличие большого числа глинистых прослоев.
Следует отметить, что прогноз выбросоопасности вмещающих пласт боковых пород, как показала практика, не так актуален, как прогноз выбросоопасности самих калийных пластов. Выбросоопасные зоны в калийных пластах имеют небольшие размеры и установить их на стадии геологоразведоч н ых работ
проблематично, поэтому при отработке выбросоопасных калийных пластов большое внимание уделяется текущему прогнозу.
Из сравнительно больших глубин земной коры в соленосные породы поднялись водные растворы,
обогащенные в том числе и ртутью. В качестве преобладающих путей подъема таких гидротермальных растворов
служили, например зальбанды уже существующих базальтовых жил, а также сопровождающие их трещины в соленосной толще. Возможны и другие пути ртутоносности калийных пластов.
Тектоническое строение соляной залежи Верхнекамского месторождения в общих чертах характеризуется наличием брахисинклинальной складки, ось которой проходит в западной части участка. К оси складки приурочено наибольшее погружение продуктивных пластов. Наибольшее погружение кровли сильвинитовой зоны (до отметки - 258 м) наблюдается вблизи западной границы участка (скв. 437). К востоку от нее крыло брахисинклинали полого поднимается до абсолютной отметки - 98 мс (скв. 145).
Таким образом, амплитуда колебаний отметок кровли сильвинитовой зоны достигает 160 м, хотя в общем случае падение крыла структуры не превышает 1° на отдельное падение крыла (до 3 ).
Верхнекамское месторождение представлено шестью каменными пластами, из которых отрабатываются три - карналлитовый пласт В и сильвинитовые - АБ и Кр. II. Глубина залегания калийных пластов изменяется в пределах от 240 до 380 м. Мощность залегания калийных пластов составляет: -от 4,6 до 6,4 м. Отрабатываемые калийные пласты разделены прослоями сильвинита, калийной соли и глины.
Выбросоопасными пластами являются: карналлитовый пласт В в пределах шахтных полей Соликамского и Первого Березовского рудников, сильвинитовые пласты АБ и Кр. II в пределах Второго и Третьего Березниковских рудников. Наиболее опасен по выбросам породы и газа карналлитовый пласт В. Условно пласт подразделяется на шесть слоев, наиболее мощным из которых являются четные слои. Северный борт Старобинского месторождения (Беларусь) в районе шахтных полей Второго и Третьего Солигорских рудников обрамляют субширотные региональные разрывные
нарушения. На юг от северного разлом* ответвляется другой субмеридиональньп разлом, секущий месторождение вкрес-простирания. Краевая зон*
Старобинского месторождения
представляющая собой его южнук периферийную часть, характеризуется выклиниванием покрывающих солены; пород с измененным химически» составом.
Основные виды геологически: нарушений на месторождении геологические трещины, замещения i выклинивания продуктивных пластов, и: погружения и поднятия
микроскладчатость различного порядка i локальные мульды погружения.
При эксплуатации третьего калийног горизонта на рудниках Старобинског месторождения выявлена приуроченност выбросов соли и газа к локальньи мульдам погружения. Старобинско месторождение представлено четырьм калийными пластами, два из которых Второй и Третий - имеют промышленнс значение и отрабатываюта
Выбросоопасным является Трети калийный пласт, глубина залегани которого в пределах месторождени изменяется от 350 до 1240 м. Третий плас подразделяется на три пачки: верхню] сильвинитовую, среднюю глинистс карналлитовую и нижню]
сильвинитовую. Верхняя пачка h отрабатывается из-за низкого содержани KCl и повышенного содержания MgCh.
Средняя пачка, состоящая v чередующихся прослоев глинь карналлитовых и сильвинитс
карналлитовых пород и каменной сол! не отрабатывается. Нижняя пачк является промышленной, состоит v шести слоев. перемеживающихс каменной солью и глиной.
Лабораторные исследована проводились в два этапа: на первом определялось содержание ртути образцах, на втором - изучалась кинети* выделения ртути из образцов при v механическом нагружении.
Содержание ртути в образцах определялось путем нагрева
измельченного порошка в токе газа-
воздуха с нагрева 2.5° выполненных таблице.
в
носителя: аргона или фиксированной скоростью С с. Результаты
исследований приведены Анализ этих данных свидетельствует о том, что ртуть обнаружена в соли и углях неопасных по внезапным выбросам и горным ударам пластов, опасных и особо опасных по внезапным выбросам и опасных по горным ударам.
Поскольку определение ртути в образцах проводилось при линейном законе нагрева измельченного порошка, то была получена дополнительная информация. Во всех образцах угля максимальная скорость выхода паров ртути установлена при температуре порядка 320° С, которая характерна для устойчивой сульфидной формы ртутных соединений. Действительно, именно эта форма наиболее распространена в природе. Отсюда можно предположить, что ртуть ассоциирована в угле с сульфидными включениями, например пиритом. Возможно этим объясняется большой, иногда больше 50 %, разброс параллельных результатов измерений, что характерно для гетерогенного
распределения определяемого элемента в анализируемых образцах.
На втором этапе исследований образцы кубической формы с размером ребра 45-50 мм, иногда 35 мм (соли) подвергались ступенчатому
механическому нагружению.
Сотрудниками лаборатории геохимии изотопов, геохронологии и космохимии ГЕОХИ им. В.И.Вернадского
разработана конструкция
недисперсионного атомно-
абсорбционного ртутного фотометра, обладающего характеристиками,
необходимыми для определения содержания ртути ниже кларковых.
Для регистрации кинетики выхода ртути из образцов при их одноосном нагружении была изготовлена
толстостенная ячейка из
полиметилакрилата, показанная на рис.5.
Рис. 5. Схематическое представление регистрации выхода паров ртути из образцов при их механическом нагружении: 1 - ячейка из полиметилтакрилата с крышкой; 2 - образец; 3 - вибрационный насос; 4 -сорбент паров ртути
Ячейка установлена на плунжер лабораторного гидравлического пресса, обеспечивающего максимальное усилие 100 кН.
Принцип работы фотометра основан на измерении интенсивности резонансной флуоресценции паров ртути,
содержащихся в воздухе, прокачиваемом через чувствительную ячейку прибора 1 (рис. 6а). Флуоресценция паров ртути, поступающих в ячейку через отверстие 2 вместе с газоносителем, в качестве которого использован воздух, вызывается освещением ячейки через окно 7 шариковой высокочастотной
безэлектродной лампой 3. Для уменьшения количества рассеянного излучения ячейка окрашена в черный матовый цвет и в ней установлены две световые ловушки 4 и 5. Интенсивность флуоресцентного излучения измеряется фотоумножителем 6 типа ФЭУ-39 или ФЭУ-
Воздух, содержащий пары ртути, количество которых следует измерить, поступают через разъем "Вход" фотометра к сорбенту 1 (рис.6 б), который захватывает пары ртути из воздуха. Далее воздух проходит по
каналу 2 в рабочую ячейку фотометра 3 под действием вибрационного насоса 4 через разъем "Выход" - в атмосферу. При скорости потока воздуха через сорбент, не превышающей 1л/мин, 96-98% ртути, содержащейся в воздухе, накапливается на сорбенте. Накопленная на сорбенте ртуть за 4-5 с "сбрасывается" с него кратковременным нагревом нихромовой проволоки до 400-500° С путем пропускания через нее электрического тока.71.
б
тттгтттт
1
о
т
X
Рис. 6. Оптическая схема ртутного фотометра (а): I -чувствительная ячейка; 2 - входное отверстие для потока воздуха с парами ртути; 3 - шариковая безэлектродная высокочастотная ртутная лампа; 4 и 5 -оптические ловушки рассеянного света; 6 фотоумножитель; 7 - оптические окна и пневманическая схема фотометра (б): I - сорбент ртутных паров; 2 - соединительные каналы; 3 -чувствительная ячейка; 4 - вибрационный насос
Для питания шариковой высокочастотной безэлектродной
ртутной лампы использован
высокочастотный генератор 1 (рис.7).
Лампа размещена внутри колебательного контура генератора. Генератор питается напряжением 2, которое обеспечивает высоковольтное
питание ФЭУ. Стабильность во времени напряжений +80 и -800 В обеспечивается стабилизатором 3.
СрЗ1 Сгггтгггпч! г / ь— N
1
--г
/ г 1 \
/
3
Г ■жг *
и
Рис. 7. Блок-схема электрических узлов ртутного фотометра: 1 - высокочастотный генератор питания лампы; 2 - преобразователь высоковольтного питания высокочастотной лампы и фотоумножителя; 3 -стабилизатор питания преобразователя, 4 реверсивный счетчик, преобразователь тока ФЭУ -частота и частотомер; 5 - таймер; 6 - сорбент
Фототок ФЭУ, пропорциональный интенсивности флуоресценции в рабочей ячейке, поступает на преобразователь ПТЧ ток - частота, на выходе которого формируется совокупность импульсов стандартной амплитуды и длительности. Частота импульсов пропорциональна фототоку ФЭУ в диапазоне 10 9 и 10~6 А. Импульсы поступают на схему частотомера, на выходе которого формируется сигнал постоянного тока. Его напряжение пропорционально частоте импульсов. Сигнал выведен на разъем фотометра и может непрерывно регистрироваться самописцем КСП-4.
Для измерения количества ртути, накопленной на сорбенте, нажимается кнопка "измерение". При этом реверсивный счетчик 4 устанавливается в нулевое положение, и запускается таймер 5, который разрешает счет фоновых импульсов счетчиком в течении 4 с. После этого направление счета меняется на обратное, включается разряд конденсатора на сорбент 6, он
^сбрасывает" накопленную ртуть, а счетчик вычитает из фонового отсчета в течении 4 с пропорциональное Зарегистрированное
число импульсов сигналу + фон. цифропечатающим
усройством число остается на табло до следующего измерения. При настройке фотометра интенсивность свечения лампы, напряжение на фотоумножителе и гоутизна преобразования
преобразователя тока ФЭУ в частоту гчегистрируется таким образом, чтобы число импульсов, зарегистрированное фотометром, численно равнялось количеству ртути в пикограммах (1 пг= 10-12 г.), прошедшему через чувствительную ячейку фотометра.
Фотометр регистрирует количество ртути в газовой фазе, поэтому его калибровка осуществляется пропусканием известного количества ртутных паров через измерительную ячейку при помощи ртутного газового эталона.
Воздух в зависимости от температуры в состоянии насыщения содержит пары гггути, количество которых определяется энтальпией испарения. Зная эти термодинамические характеристики, можно рассчитать количество ртути, содержащееся в 1 см3 воздуха при насыщении в зависимости от температуры.
На рис. 8-16 представлена кинетика выхода паров ртути из образцов вплоть до разрушения при действии на них одноосных нагрузок. По оси абцисс отложены две величины: внизу - давление на плунжере пресса в МПа, вверху - время экспонирования, мин. Первые три экспериментальные точки соответствуют количествам ртути, зарегистрированным без нагрузки на образце. При этом на сорбенте накапливается ртуть, сорбированная на стенках ячейки и соединительных трубок, а также спонтанно выделяющаяся с поверхности образца. Справа от оси ординат нанесены точки, соответствующие количествам ртути, накопленным на каждой из ступеней давления за время экспозиции,
вертикальной стрелкой на рисунках указано давление, при котором произошло разрушение образца. Три точки после разрушения образца соответствуют количествам ртути, накопленным на сорбенте в отсутствии давления на образцах в течение времени экспонирования, использованного в данном эксперименте.
м
Н ,тс
а
/оо
мн(Т,™
е
б
{
/го ^»мин
Р,МЛа
О
о
60 +
¿-р
Мтт 7Ж
м г
£0-
о
о
60
-1—
Л?о +
у мин
ю Р, МП а
/го 1;
Рис. 8. Кинетика выхода паров ртути из образцов угля пласта Кю "Феликс" (шахта "Саранская", объединение "Карагандауголь"):
а-8=2162 мм2, 1=10 мин,
б-5=2161 мм2, 1=10 мин,
в - 8=2025 мм2, 1=10 мин,
г - 8=2025 мм2, 1= 6 мин,
Р=12.5 МПа; Р=12.5 МПа; Р= 12.5 МПа; Р=3.25 МПа;
В отсутствии давления в цилиндре пресса измерялось количество ртути, выходящее из ячейки и рассчитывалось стандартное
отклонение ( а ) этих измерений. Полученное значение содержания ртути в образце умножалось на три и по градуировочному графику анализатора
определялось эквивалентное стандартного величина на показана проведенной
равна За
количество утроенному отклонения, некоторых штриховой
ртути значению Данная графиках линией,
параллельно оси абцисс, и все ее значения,
расположенные выше штриховой линии
могут считаться отличающимся от нулевого значения с вероятностью 99,7%.
а - б
1: пн о
'О р МПа
во
J-I
£
/О Р
<00-
О
,го t ¿Мин о во /го
3
/О Р
£ /о р;мпа
Рис.9. Кинетика выхода паров ртути из образцов угля пласта К12 "Верхняя Марианна" (шахта "Саранская", объединение "Карагандауголь"):
а - поперечник образца 8=2025 мм2, 1=10 мин, Р=12.5 Мпа;
б - 8=2160 мм2, г= 6 мин, Р=3.125 МПа; в - 8=2021 мм2,1=10 мин, Р=12.5МПа; г - 8=2025 мм2,1= 6 мин, Р= 12.5 Мпа;
/50-
/00+
7 <$ Р,МПа
/ г ¿-ттяпа
¿в*
4 ^ Р.МПа
Рис. 10. Кинетика выхода паров ртути при механическом нагружении образцов угля (шахта им. А.Ф.Засядько): а - пласт К45, б - пласт шз ; в - пласт Гв; г - пласт Ь.
При переходе к каждой следующей ступени давления ртути из образца меняется скачком, и в дальнейшем при постоянном давлении - по экспоненциальному закону. Поэтому для регистрации всего количества ртути, выходящего из образца при данном давлении, время экспонирования должно быть бесконечным или, во всяком случае, достаточно продолжительным.
Выполнение этого условия в реальном эксперименте невозможно. Поэтому на образцах с различными пределами на сжатие было проведено по четыре эксперимента с разными ступенями давления и продолжительностью экспонирования (рис.8-9). Во всех случаях результаты оказались плохо
воспроизводимы и несут отпечаток индивидуальности каждого образца
¿с
Р, МПа
За!
/Од
3 Р.МПа
Рис. 11. Кинетика выхода паров ртути из образцов при их механическом нагружении (шахта им. Калинина): а) - угля пласта К2 : б) песчаника (пласт Им); в) - угля пласта К5; г) угля пласта Ь7
При попытке улучшить разрешение на шкале давлений, т.е. изменения давления малыми ступениями, количество ртути начинает меняться хаотично, терять монотонный характер изменений с ростом давления.
ft
MHg,n*
SO
■M
I
л/VV4-
36 +
Р,МПа
Р.МПа
/.¿S 2.5 Р.МПа
Рис. 12. Кинетика выхода паров ртути из образцов (шахта им. Румянцева ПО "Артемуголь") при их ступенчатом нагружении: а) уголь пласта 1з, участок 82, горизонт 970 м: S=2279 мм2, t=6 мин, Р=0.62 МПа; б) уголь пласта Кд, участок 121, горизонт 850 м: S= 1804 мм2, t=6 мин, Р=0.31 МПа; в) уголь пласта гпз, участок 42, горизонт 730 м : S=2244 мм2, t=6 мин, Р=0.31 МПа
6 Р,МПа
Рис. 13. Кинетика вывода паров ртути при механическом нагружении образцов угля пласта Ьб (шахта им. А.А.Скочинского, ПО "Донецкуголь")
Хаотические чередующиеся выхода ртути давления, как
изменения, т.е.
возрастания и спады из образцов с ростом правило наблюдались,
когда с поверхности образца, на очередной ступени давления происходило отслаивание, выкалывание чешуек, пластинок с боковых граней образца. Это сопровождалось на данной ступени давления регистрации пониженного количества ртути на последующей ступени.
Р,МПа
Р ,МПа
Р.МПа
Рис. 14. Кинетика выхода паров ртути из образцов при их ступенчатом нагружении:
а-8=1974 мм2, 1=6 мин, Р= 12.5 МПа (пласт Гэ, шахта им. 9-ой Пятилетки, объединение "Макеевуголь"); б -8=2112 мм2, 1=6 мин, Р=12.5 МПа (порода кровли пласта 1в, 3-я панельная лава, шахта им. 9-ой Пятилетки, объединение "Макеевуголь"), в - 8=1560 мм2, 1=6 мин, Р=12.5 МПа (очистной забой, пр. 2112, шахта им. М.И.Калинина, объединение "Донецкуголь")
J 2 i J
/о /г Р.МПа
Рис. 15. Кинетика выхода паров из образцов угля пласта "Четвертый" (шахта "Комсомольская", ПО "Воркутауголь")
'¿¡¿¿/¿Л*
о 2 ¿Г 6 4 'О
Р, МПа
О Г 2 3 4 S 6 7 а 3 /О
Р, МПа
Рис. 16. Кинетика выхода паров ртути из образцов карналлита (а) и сильвинита (б) при их механическом нагружении
Можно предположить, что скольжение по "плоскостям спайности" не обязательно по кристаллографическим плоскостям, а скорее по плоскостям наименьшей прочности, скопления дефектов приводит к "мобилизации" ртути, скалывание же чешуек, пластинок с граней образцов приводит к образованию свежих плоскостей поверхности, активно поглощающих ртуть из окружающего воздуха, в том числе и ту, которая выделяется при деформациях образца. Эффект поглощения паров ртути из атмосферы свежеизмельченными
образцами горных пород наблюдался многократно.
Для проверки и прикидочного учета велечины эффекта поглощения паров ртути свежеобразованными при разрушении поверхностями образцов угля, был проведен контрольный эксперемент.
В ячейку с образцом угля, не подвергнутому механическим нагрузкам, вводилось
25 ООО пг и 30 ООО пг ртути. Практически вся ртуть была зарегистрирована на выходе ячейки (рис. 17а). Затем образец угля был доведен на прессе до разрушения и повторно в ячейку были введены такие же количества ртути (рис.176). В этом случае на выходе ячейки было зарегистрировано всего 20% ртути, т.е. 80% было сорбировано свежеобразованными поверхностями угля.
ё
|
г -
7 I—
и
1 :. ¡:.. г-— !-
\спг
— - ЗОЛ 7°пг
---- ____
Рис. 17. Регистограмма кинетики поглощения паров ртути образцами угля: а) ввод известных колличесгв ртути в ячейку с образцами угля, не подвергавшихся механическим нагрузкам; б) ввод таких же количеств ртути в ячейку с разрушенными образцами угля
Таким образом, результат контрольного эксперимента не противоречит высказанному предположению о протекании процессов сорбирования паров ртути образцами угля при их механическом нагружении.
Следует также отметить, что количество паров, регистрируемых в течении эксперимента, составляют ничтожную долю всей ртути, содержащейся в образце. "Действительно, при массе образца ЮОг и содержании ртути 10^%, что состовляет 1 мкг/г образца, образец содержит 10"4 г ртути. В эксперименте выделяется из образца 1000 пг, что составлет 105 всей ртути, содержащейся в образце.
Выполненный комплекс исследований наглядно иллюстрирует:
выявленные закономерности
зонального распределения
индикаторов напряженно-
деформированного состояния
углепородного массива, сущность которых заключается в близости пространственной связи
районирования территории б. СССР по сейсмичности, абсолютному значению верхнего предела
максимальных касательных
напряжений в земной коре, размещению ртутных провинций и угольных месторождений и
приуроченности выбросоопасных участков шахтопластов к зонам тектонической нарушенности массива;
ртутоносность углей независимо от степени их опасности, солей и пород и кинетику выхода поров ртути из образцов при их механическом нагружении - как геохимические основы прогноза динамических явлений в подземных выработках, которые целесообразно апробировать в промышленных условиях для подтверждения принятого критерия выбросоопасности пластов;
отсутствие научных основ
ртутоносности калийных пластов и
других не менее важных элементов рассматриваемой проблемы.
Научное значение данной закономерности состоит в том, что она с новых позиций позволит подойти к развитию теории газодинамических явлений в подземных выработках и рассмотрению процессов, происходящих на потенциально опасных участках шахтопласта в периоды, предшествующие внезапным выбросам угля, соли, породы и газа.
Практическое значение этой закономерности заключается в оценке геохимических аномалий ртути во времени, на основе которых данное явление может служить одним из предвестников на стадии подготовки внезапных выбросов угля, соли, породы и газа в подземных выработках.
С экономических позиций использование геохимических аномалий ртути (Патент РФ 2013561) позволит значительно снизить объемы бурения прогнозных скважин (шпуров) для безопасного ведения горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, соли, породы и газа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Отчет о научной и научно-организационной деятельности в 1993 году. М., Ротопринт ИПКОН РАН, 1994, с. 9-11.
2. А.Е.Шейдеггер. Физические аспекты природных катастроф.М., Недра, 1981, с. 15-50.
3. Гидрогеохимические предвестники землетрясений. М., Наука, 1985, с. 49-62, 183-188.
4. Металлогения ртути. М., Недра, 1976, с. 102.
5. Е.П.Иванова-Беспощадная. О природе формирования выбросоопасных зон. Уголь, 1988, №8, с. 5-6.
6. Ртутоносность углей Донецкого бассейна. М., Недра, 1987, с. 17-64.
7. О.И.Чернов, Е.С.Розанцев. Предупреждение внезапных выбросов угля и газа в угольных шахтах. М., Недра, 1965, с. 55-59.
8. Тектоника Украины. М., Недра, 1988, с. 152-158.
9. А.С.Сагинов. Проблемы разработки угольных пластов Карагандинского бассейна. Алма-Ата, Наука, 1976, с. 7-8.
©Авторов
