Научная статья на тему 'Геомеханические и физико-химические процессы, определяющие выбросо- и пожароопасность угольных пластов Кузбасса'

Геомеханические и физико-химические процессы, определяющие выбросо- и пожароопасность угольных пластов Кузбасса Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
118
26
Поделиться
Ключевые слова
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ / STRESS-STRAIN STATE / ТЕМПЕРАТУРА / TEMPERATURE / УГОЛЬ / COAL / ВЫХОД ЛЕТУЧИХ / УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ / SPECIFIC SURFACE / СТРУКТУРА / STRUCTURE / ПОРИСТОСТЬ / POROSITY / ПЛОТНОСТЬ / DENSITY / ОКИСЛЕНИЕ / OXIDATION / ГОРЕНИЕ / ВЫБРОСООПАСНОСТЬ / СТАДИИ МЕТАМОРФИЗМА / RELEASE OF VOLATILE GASES / COMBUSTION / OUTBURST HAZARD / METAMORPHOSIS STAGES

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Опарин Виктор Николаевич, Киряева Татьяна Анатольевна

Выполненными исследованиями авторами показано, что существует генетическая связь между выбросои пожароопасностью угольных пластов Кузбасса различных стадий метаморфизма, обусловленных спецификой геомеханико-геодинамических и термо-химических условий и их формирования для минувших тектоно-магматических эпох в развитии Земли («геокрекинговый» механизм формирования месторождений углеводородного ряда по В.Н. Опарину). Отмечается, что, в отличие от существующих и доминирующих ныне подходов к моделированию процессов формирования очаговых зон катастрофических событий в массивах горных пород неорганической природы, адекватное решение проблем выбросоопасности и пожароопасности угольных месторождений должно основываться на учете реально существующей тесной связи между геомеханическими и физико-химическими массообменными процессами в многофазных угольных пластах разной стадии метаморфизма при их отработке на заданных глубинах и температурном фоне. Экспериментально доказано : ИК-радиометрия позволяет дистанционно и оперативно контролировать изменение напряженно-деформированного состояния угольных образцов при их нагружении в реальном масштабе времени; имеет место рост внутренней удельной поверхности частиц отбитого угля, связанной с силой внезапных выбросов угля и газа отрабатываемых угольных пластов и, соответственно, с внутренней энергией упругой релаксации углеметана; существует «единая зависимость» потери массы (Δm) угольных образцов при изменении их температуры с выделением, преимущественно, двух диапазонов: от, примерно, 40 до 60 0 С (Т 1) и 480-500 0С (Т 2). Изменение массы образцов угля в диапазоне температур Т 2 связано также с внутренней энергией релаксации метаноносности продуктивных пластов; удаление летучих форм угольного вещества в образцах сопровождается энфоэффектами; со временем хранения образцов угля после их извлечения из продуктивных пластов наблюдается ослабление связи газовой компоненты в углеметановом веществе (в том числе связь метана с веществом угля).

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Опарин Виктор Николаевич, Киряева Татьяна Анатольевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Geomechanical and physicochemical processes as determinants of outburst hazard and fire risk in the coal beds of Kuzbass

The authors have carried out the research to demontsrate the genetic affinity of the outburst hazard and fire risk in different rank coal beds in Kuzbass, resulting from specificity of geomechanical, geodynamic and thermochemical conditions and their evolution features during the orogenesis of the Earth (“geo-cracking” mechanism of hydrocarbon deposit formation by V.N. Oparin). It is emphasized that, as distinguished from the existing and dominating approaches to modelling the formation of the source zones of disastrous events in inorganic-nature rock masses, the adequate solution of the problems on outburst hazard and fire risk in coal fields should be based on the actual close relationship of the geomechanical and physicochemical mass-transfer processes running in multiphase coal beds of different rank in the course of mining at the predetermined depth and temperature. It has been experimentally proved that: the infrared radiometry allows a remote control of the change in the stress-strain state of coal samples under real-time loading; the growth of inner specific surface area takes place in broken coal particles associated with the force of coal and gas outbursts during mining and, consequently, with the internal energy of elastic relaxation of coal-methane; there is a complete relationship between the mass loss Δm and the temperature of coal samples within two marked ranges: T 1, from 40 to 60 ºC and T 2, from 480 to 500 ºC. The coal mass loss within T 2 is also connected with the internal energy of relaxation of coal methane; devolatalisation goes with endo-effects; in the course of storage time of the coal samples after their extraction from productive strata, weakening of the gas component in the coal-methane substance is observed (including the connection of methane and coal.)

Текст научной работы на тему «Геомеханические и физико-химические процессы, определяющие выбросо- и пожароопасность угольных пластов Кузбасса»

Механизмы разрушения горных пород вокруг подземных выработок и в очаговых зонах катастрофических событий

УДК 622.272.6

В.Н. Опарин, Т.А. Киряева

ОПАРИН ВИКТОР НИКОЛАЕВИЧ - член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий отделом экспериментальной геомеханики (Институт горного дела им. Чинакала СО РАН, Новосибирск). E-mail: oparin@misd.nsc.ru, 630091, Новосибирск, Красный проспект, 54.

КИРЯЕВА ТАТЬЯНА АНАТОЛЬЕВНА - кандидат технических наук, старший научный сотрудник (Институт угля и углехимии КемНЦ СО РАН, Кемерово). E-mail: kiryaevata@icc.kemsc.ru

Геомеханические и физико-химические процессы, определяющие выбросо- и пожароопасность угольных пластов Кузбасса

Выполненными исследованиями авторами показано, что существует генетическая связь между выбросо- и пожароопасностью угольных пластов Кузбасса различных стадий метаморфизма, обусловленных спецификой геомеханико-геодинамических и термо-химических условий и их формирования для минувших тектоно-магматических эпох в развитии Земли («геокрекинговый» механизм формирования месторождений углеводородного ряда по В.Н. Опарину). Отмечается, что, в отличие от существующих и доминирующих ныне подходов к моделированию процессов формирования очаговых зон катастрофических событий в массивах горных пород неорганической природы, адекватное решение проблем выбросоопасности и пожароопасности угольных месторождений должно основываться на учете реально существующей тесной связи между геомеханическими и физико-химическими массообменными процессами в многофазных угольных пластах разной стадии метаморфизма при их отработке на заданных глубинах и температурном фоне.

Экспериментально доказано: ИК-радиометрия позволяет дистанционно и оперативно контролировать изменение напряженно-деформированного состояния угольных образцов при их нагружении в реальном масштабе времени; имеет место рост внутренней удельной поверхности частиц отбитого угля, связанной с силой внезапных выбросов угля и газа отрабатываемых угольных пластов и, соответственно, с внутренней энергией упругой релаксации углеметана; существует «единая зависимость» потери массы (Am) угольных образцов при изменении их температуры с выделением, преимущественно, двух диапазонов: от, примерно, 40 до 600 С (Т1) и 480-500 0С (Т2). Изменение массы образцов угля в диапазоне температур Т2 связано также с внутренней энергией релаксации метаноносности продуктивных пластов; удаление летучих форм угольного вещества в образцах сопровождается энфоэффектами; со временем хранения образцов угля после их извлечения из продуктивных пластов наблюдается ослабление связи газовой компоненты в углеметано-вом веществе (в том числе связь метана с веществом угля).

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, температура, уголь, выход летучих, удельная поверхность, структура, пористость, плотность, окисление, горение, выбросоопасность, стадии метаморфизма.

© Опарин В.Н., Киряева Т.А., 2014

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (проект № 13-05-00673), партнерского интеграционного проекта СО РАН №100 и проекта ОНЗ РАН-3.1 и с использованием оборудования ЦКП ГГГИ СО РАН.

Введение

В настоящее время оценка газокинетических свойств угольных пластов выполняется на основе разработанных в СССР под руководством акад. А.А. Скочинского приложений теории сорбции. Однако, как оказалось, уже на глубинах в 250 м газоносность угольного пласта превышает предельно возможную сорбционную способность угля, установленную в лабораторных условиях [10]. С позиций нелинейной геомеханики многофазных геосред, как представляется, следует рассматривать и наблюдаемый в ряде случаев важный эффект выделения газов из угольных пластов, в количественном отношении много большем, чем это можно было бы ожидать, исходя из параметров метаноемкости образцов угля (по данным лабораторных экспериментов).

В последние десятилетия российскими учеными активно развиваются представления о свойствах углеметанового пласта как твердого углегазового раствора [2]. С открытием волн маятникового типа, изучением деформационно-волновых процессов в окрестностях горных выработок наступил новый этап в понимании реальной сложности решения проблемы обеспечения безопасных условий ведения горных работ при освоении полезных ископаемых на глубоких горизонтах, возникновением нового направления исследований - геомеханической термодинамики [11].

Начиная с определенных глубин и в зависимости от скоростей проходки подготовительных выработок и очистных забоев, степени технологической изрезанности и нарушенности горного массива динамика развития геомеханических процессов в многофазных геосредах определяется не только упруго-прочностными и реологическими свойствами твердых компонент полезных ископаемых (твердой «матрицей»), но и в значительной мере балансовыми соотношениями между внутренней упругой энергией содержащихся в них жидкости и газа, а также внешней упругой энергии, связанной с изменяющимися глобальным геодинамическим и локальным геомеханическим (напряженно-деформированным) состоянием геосреды за счет ведения горных работ.

Совокупность новых знаний позволяет более подробно рассматривать реакцию газовой компоненты отрабатываемого пласта на изменение геомеханической обстановки в массиве горных пород для повышения надежности технологических решений. Так, при планировании комплекса фундаментальных исследований в натурных условиях по особенностям протекания термогазодинамических процессов в угольных пластах по мере их отработки необходимо учитывать определяющую роль и более общих геомеханических процессов, включающих специфическое поведение вмещающих их массивов. Как показано в работах Г.Я. Полевщикова с соавторами [16, 18], обобщающих долговременный цикл экспериментальных и теоретических исследований по угольным месторождениям Кузбасса, здесь большая роль принадлежит масштабным зонально-дезинтеграционным процессам в наблюдаемой динамике метанообильности выемочных участков.

В выполненных нами исследованиях, представленных в данной работе, основное внимание уделяется влиянию совокупности основных факторов, при наличии которых создаются реальные условия для возникновения выбросов угля и газа. Наиболее существенными из них рассматриваются, в частности, блочно-иерархическое строение горных пород, неоднородность их физико-механических свойств, изменения температуры, влажности, глубины отрабатываемых горизонтов угольных месторождений Кузбасса.

Направление настоящих исследований авторов статьи ориентировано на моделирование и изучение геомеханических и газодинамических особенностей протекания сложных процессов в углеметановой среде с учетом новых знаний о свойствах многокомпонентных геоматериалов.

При этом нами уделено большое внимание разработке комплексного метода оценки газодинамической активности углеметановых пластов. В качестве базовых рассматривались в первую очередь горно-геологические условия Кузнецкого угольного бассейна, горнотехнологические особенности освоения которого достаточно многообразны и широко известны [4].

О связи между напряженно-деформированным состоянием угольных образцов и температурой: основные положения, методика и результаты лабораторных экспериментов

В угленосных отложениях метан находится в физико-химической связи с углем, образуя преимущественно твердый углегазовый раствор. Эмиссия метана возможна только при нарушении термодинамического состояния системы и распаде указанного раствора. Процесс распада твердого углеметанового раствора протекает с выделением энергии, реализуемой в том числе и на деструкцию твердой компоненты пласта, с образованием дополнительной внутренней поверхности. Чем выше газоносность угольного пласта, тем интенсивнее газодинамическая деструкция, вплоть до его саморазрушения в форме внезапного выброса угля и газа. При равной газоносности наиболее склонны к саморазрушению угли средней стадии метаморфизма. Чем выше энергия распада, тем больше степень измельчения отторгаемого угля. Возникают условия для развития микротрещин за счет энергии газа. Таким образом, разрушение твердого вещества угля связано с образованием новой внутренней удельной поверхности. Это раскрывает один из возможных подходов к оценке свойств многокомпонентных геоматериалов на основе измерения удельной поверхности проб углей, отобранных, применительно к решаемой задаче, при различных значениях потенциальной энергии газовой компоненты твердого углегазового раствора (ТУГР).

В проведенных нами экспериментах [4] впервые в качестве одного из элементов метода реализации указанного подхода использовались приборы DigiSorb 2600 (Micromeritics, США), AutoPycnometer-1320 (Micromeritics, США), NETZSCH STA 449C Jupiter (NETZSCH, Германия), СОРБИ-М (МЕТА, Россия) для измерения внутренней удельной поверхности и объема микропор, полного объема пор, получения полной изотермы адсорбции/десорбции при изучении физико-химических свойств угля и газокинетических характеристик углеметановых геоматериалов.

Инфракрасная термография, основанная на зависимости мощности инфракрасного излучения с поверхности контролируемого тела от его температуры открывает новые возможности для исследования особенностей изменения температурных полей наблюдаемых физических объектов [2]. Современные компьютеризированные тепловизоры позволяют хранить и обрабатывать большие массивы данных после проведения записи меняющихся во времени температурных полей объектов с целью их оперативного анализа с применением сложных и более точных математических моделей.

При возрастании уровня напряжений, когда деформации геоматериалов выходят за пределы упругости, внутри деформируемого тела начинают развиваться нелинейные процессы, в условиях которых вариации температуры и, соответственно, интенсивности ИК-излучения становятся значительными, в том числе и за счет внутреннего трения между отдельностями. Это дает основу для разработки физических моделей, которые позволили бы по изменениям ИК-излучения оценивать параметры соответствующих нелинейных механических процессов.

В лабораторных экспериментах нами использовался компьютерный тепловизор ТКВр - ИФП «СВИТ», разработанный и изготовленный в Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН [8], который предназначен для исследований в реальном масштабе времени (рис. 1) с предельной температурной чувствительностью 0.007 К и частотой кадров 100 Гц, а также диапазоном измерения температуры 10-42 0С, оптическим полем зрения 128х128 пикселей; диапазоном фокусировки от 250 мм до «бесконечности». Для его использования в рабочем помещении необходимо исключить блики отраженного света.

Испытания механических свойств образцов угольного керна проводились в ЦКП ИГД СО РАН на сервогидравлическом прессе INSTRON 8802, с предельной нагрузкой 350 кН и жесткостью 200 МН/м в жестком режиме нагружения (программа нагружения задается по перемещению захватов) с автоматической записью в память компьютера результатов эксперимента и построением диаграмм деформирования в координатах «нагрузка - продольная деформация».

а) б)

Рис. 1. Тепловизионная камера (а) и портативный компьютер с программным обеспечением (б)

Использовались угольные образцы высотой около 5 см и сечением 25 см2. В экспериментах проводилось непрерывное измерение и запись осевой нагрузки, продольных деформаций по высоте образца с помощью лазерного оптико-телевизионного автоматизированного комплекса ALMEC-tv, который позволяет проводить измерение с частотой до 27 кадров в секунду при пространственном разрешении по смещениям не хуже 1мкм.

В экспериментах использовалась специально созданная металлическая камера, расположенная на высоте 1.5 м над уровнем пола, с регулируемым от пресса давлением, в которой находится экспериментально-измерительная установка (рис. 2). Камера является оптически прозрачной со стороны дистанционно сканируемых поверхностей испытуемых образцов, в дальнейшем планируется оснастить ее измерительными средствами оперативного анализа химического состава газовой атмосферы и температуры. На расстоянии 25 см напротив образца 1 на одной и той же высоте располагались тепловизор и комплекс АЬМЕС-^.

Рис. 2. Схема экспериментально-измерительной установки: 1 - угольный образец; 2, 5 - стальные пластинки; 3 - шариковая опора; 4 - подвижная траверса; 6 - тепловизор; 7 - компьютер; 8 - комнатный

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

термометр; 9 - комплекс ALMEC-tv

В выполненных экспериментах были измерены термограммы для 9 образцов трех шахто-пластов Кузбасса с различными физико-химическими свойствами (газоносность 13-20 м3/т, выход летучих веществ 20-36%, глубина залегания пластов 200-600 м).

На рис. 3 приведено типичное распределение температуры в образце угля и окружающем пространстве перед его разрушением. Температура окружающей среды, по данным тепловизора, составляла 23.87 0С. На термограмме также указаны температурные метки в трех точках по вертикальной оси образца: на верхней границе, в центре и на нижней его границе.

Изменения температуры со временем нагружения были проведены по всей поверхности образца. На рис. 4 приведен типичный график термограммы.

Рис. 3. Тепловое изображение образца угля с метками температуры на поверхности перед

его разрушением

Изменение первого инварианта тензора напряжений ДП должно описывать вариации ИК-измерений в предположениях об адиабатичности деформирования и отсутствии значительных шумов [13]. Были получены зависимости температуры угольного образца от уровня задаваемого напряжения на его границах, в центре, а также по горизонтальной оси (рис. 5, 6).

Рис. 4. Зависимость температуры от времени нагружения в центре одного из образцов угля

а

о сГ

Он

I-

а о С

о Н

24,2' 24.1 24.023.9' 23.8 23.723.6-

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Давление, МПа ♦ —/; • 2; 3

Рис. 5. Зависимость температуры образца от напряжения до разрушения: 1 — на нижней границе образца; 2 — в центре; 3 — на верхней границе

з о.з-

Он к

& о 0.25-

а«

и с о Я О 0.2-

л

и - н сс Я 0.15-

и Я Я я о IV, » Он 0.1-

и Г5 Ю о

Щ Он о 0.05-

Он и

О

а я 0

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

С

X

к

X ч,

\

1.2

Приведенная высота образца

Рис. 6. Распределение приращения температуры по горизонтальной оси образца угля при его нагружении перед разрушением

Как свидетельствуют приведенные графики, при возрастании уровня напряжений образцов вариации температуры и, соответственно, интенсивности ИК-излучения увеличиваются. Полученные нами результаты экспериментально подтверждают выводы [9] о том, что приращение тензора напряжений прямо пропорционально приращению температуры для образцов угля с различными физико-химическими свойствами. Выше было показано, что при ДП=40 МПа в «идеально упругом» образце угля приращения температуры должны составлять ДТ=0.003 К. В наших же экспериментах на углеме-тановых образцах это приращение на два порядка величины больше (около 0.3 К), что можно объяснить развитием нелинейных деформационно-волновых процессов на микроструктурном уровне внутри образцов, ранее не учитываемых.

Таким образом, по изменению температуры образца угля можно количественно оценивать изменение его напряженно-деформированного состояния. Более того, как оказывается, при нагру-жении образца в процессе его деформирования происходит выделение добавочной кинетической энергии, что согласуется с введением в [15] понятия «геомеханическая температура».

Влияние температуры и микроструктуры угольного вещества в энерго-массообменных процессах: изменение массы, выхода летучих, удельной поверхности частиц угля, внутренней энергии релаксации метаноносности и влагосодержания

Важной характеристикой газодинамической активности угольных пластов является пористая структура ископаемых углей, обладающих запасенной внутренней энергией релаксации системы (Е) при переходе ее из одного метастабильного состояния в другое.

Такие представления о свойствах ископаемых углей базируются на многообразии процессов их формирования в природных условиях (степени метаморфизма) с образованием углеродных систем определенной пористой структуры, а также с изменяющимися термомеханическими и физико-химическими свойствами [6].

При нарушении исходных геомеханического и термодинамического равновесных состояний угольных пластов в результате ведения горных работ, как следует ожидать, начнет проявлять себя активно трещиновато-пористая структура угольного вещества в инициируемых энерго-массообменных процессах как между продуктивными пластами и вмещающими породами, так и внутри слагающих их геоматериалов. Уровень такой «активности», безусловно, будет зависеть от реальных значений «напряжений-деформаций» и температур, испытываемых геовеществом угле-породных массивов, а также от их пространственных градиентных свойств. Последние в значительной степени определяются как макро-, так и микроструктурными свойствами - блочно-иерархическим строением многофазных углепородных массивов.

В [14] сделана попытка оценить роль микроструктурного фактора угольного вещества различной степени метаморфизма в подобного рода энерго-массообменных процессах в лабораторных условиях.

Испытанию и анализу подвергались природные угли Кузбасса (ряд образцов) методами термогравиметрии (ТГ), газовой пикнометрии, а также адсорбционными методами с использование аргона и азота.

Термический анализ (ТА) угольных образцов производился в ИК СО РАН на приборе NETZSCH STA 449C Jupiter ("NETZSCH", Германия) в инертной среде (Не) и области температур 301000 0С со скоростью нагрева 10 град/мин. Навеска мелко размолотого образца угля составляла 20 мг.

Величину удельной поверхности углей S (м2/г) измеряли для фракций в диапазоне 0,5-1 мм (S1) и для измельченной фракции ~ 0,05 мм (S2) методом термодесорбции аргона при температуре 77 К по четырем точкам сорбционного равновесия на приборе СОРБИ-М («МЕТА», Россия). Образцы предварительно тренировали в инертной среде при температуре 150 0С. Расчет величин удельной поверхности проводили по классической процедуре БЭТ [3].

Исследование пористой структуры образцов проводили методом низкотемпературной (77 К) сорбции азота на установке DigiSorb 2600 ("Micromeritics", США). Перед проведением сорбци-

онных экспериментов образцы выдерживали в вакууме 10-4 мм рт. ст. при температуре 150 0С в течение 5 ч. Истинную плотность р (по ГОСТу 22524 измеряется в г/см3) углей измеряли волюмо-метрическим методом по гелию Не на приборе AutoPycnometer-1320 (Мюштегк^, США).

По всем исследованным образцам природных углей был проведен термический анализ (ТГ) для определения оставшейся массы образца при его нагревании (первоначальная масса взята за 100%). Как свидетельствует рис. 7, все образцы теряют в весе при нагреве, но с разной интенсивностью в явно выделяющихся разных интервалах температур: до 40-50 0С, до 400-500 0С и более. Таким образом, в целом вся совокупность экспериментальных данных распадается на типовые для трех серий образцов. На рис. 8 приведена полная совокупность данных ТГ, ДТГ-производной ТГ по времени (синий пунктир) и ДТА (дифференциальный термический анализ) для некоторых из исследованных угольных образцов (красный пунктир).

55 .................' . ■ ■

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Температура, °С

Рис. 7. Процентное изменение веса ТГ для всех исследованных образцов природных углей с ростом

температуры. Номера образцов указаны на рисунке

Температура, 0С Температура, 0С

Рис. 8. Данные ТГ, ДТГ и ДТА потери массы для исследованных образцов углей.

Номера образцов указаны на рисунке

Исследования показали, что потеря массы Ат (в % от первоначальной) для большинства угольных образцов происходит преимущественно в двух температурных интервалах: Ат1 при 4050 0С (Т1) и Ат2 440-510 0С (Т2).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

На рис. 9 приведены корреляционные зависимости изменения Ат2 от температуры Т2 (а) и выхода летучих веществ Vdaf (б). Рисунок показывает, что исследуемые образцы углей содержат разные формы летучих компонентов, которые можно условно разделить на «сильно» и «слабосвязанные» со структурой, или зависящие от собственных физико-химических свойств. Свойства этих летучих форм проявляются и характеризуются температурой удаления. Следовательно, для одних образцов (30, 31) превалируют слабосвязанные формы, а для других (1, 1 Н, 3, 11, 12) - относительно прочные. Зависимость Ат2 от выхода летучих веществ показывает, что относительно прочные связи характерны для углей с Vdaf от 18 до 25%. Примечательно, что по данным ДТА удаление летучих форм для некоторых образцов сопровождается эндоэффектами при температуре, как правило, несколько превышающей Т2. Это может являться следствием десорбции летучих

компонентов. Кроме того, отсутствие экзоэффектов ДТА свидетельствует об отсутствии окисления углеродсодержащих соединений в ходе термического анализа.

Рис. 9. Зависимости изменения массы Дт2 проб исследованной серии углей Кузбасса: а - от температуры; б - от выхода летучих веществ

Удельную поверхность образцов м2/г) измеряли по адсорбции аргона при температуре 77 К (рис. 10), а расчет проводили по методу БЭТ (рис. 10, 11). Рисунок 10 иллюстрирует: при некотором измельчении исходной фракции угля (образцы 3 и 12) происходит значительное возрастание сорбции аргона, что является следствием роста величины доступной поверхности.

Рис. 10. Изотермы адсорбции Аг при температуре 77 К для образцов 3 и 12 углей Кузбасса: фракции

3 и 12 - исходные, 3 изм. и 12 изм. - измельченные

0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 Рис. 11. Пример обработки изотермы адсорбции Аг на образце 12 (изм.) по процедуре БЭТ

В табл. 1 приведены величины удельной поверхности природных углей. Из таблицы следует, что образцы с фракцией 0,5-1 мм ^1) достаточно грубодисперсные; расчеты среднего размера частиц, обеспечивающих данное значение поверхности, показывают, что он составляет около 10 мкм. Величина поверхности измельченных углей ^2) значительно больше.

Рост удельной поверхности при измельчении, как показано выше, не может быть связан с ростом дисперсности первичных частиц угля при измельчении образцов в ступке и, соответственно, обусловлен наличием в образцах углей «закрытой» пористости, которая становится доступной лишь при измельчении.

В угленосных отложениях метан находится в физико-химической связи с углем, образуя преимущественно твердый углегазовый раствор. Эмиссия метана возможна только при нарушении термодинамического состояния системы и распаде этого раствора. Процесс распада твердого уг-леметанового раствора протекает с выделением энергии, реализуемой в том числе и на деструкцию твердой компоненты угольного пласта с образованием дополнительной внутренней поверхности. Чем выше газоносность угольного пласта, тем интенсивнее происходит газодинамическая деструкция - вплоть до его саморазрушения в форме внезапного выброса угля и газа. При равной газоносности наиболее склонны к саморазрушению угли средней стадии метаморфизма. Чем выше энергия распада, тем больше степень измельчения отторгаемого угля. Возникают условия для развития микротрещин за счет упругой энергии газа. Таким образом, разрушение твердого вещества угля связано с образованием новой внутренней удельной поверхности.

Таблица 1

Величины удельной поверхности м2/г) образцов углей

S, м2/г Об разец

1 1 Н 2 3 3 Н 6 Н 7 Н 11 12 15

& 0,5 0,34 0,8 0,6 0,8 0,3 - 0,4 0,15 0,17

S2 5,4 4,2 4 4,9 5 3,5 3,5 3,7 5,7 3,3

S, м2/г Образец

16 30 31 32 34 35 36 37 38 39

& 0,14 0,15 0,29 - - - - - - -

S2 4,2 - - 3,2 2,9 0,7 3,5 2,8 4,2 2,4

Исследованы пробы углей с выходом летучих веществ от 18 до 43% для 5 шахтопластов Кузбасса. Это позволило эмпирически установить зависимости роста внутренней удельной поверхности частиц отбитого угля Sуд для разных по коэффициенту f крепости угля (по М.М. Протодьяконову), а также силы F внезапных выбросов угля и газа (рис. 12) от внутренней энергии углеметана Е [5].

Е, кДж/кг

Рис. 12. Зависимость удельной поверхности угля Буд и силы внезапных выбросов F от внутренней энергии углеметана Е: 1 - экспериментальные значения удельной поверхности угля;

2 - усредненные статистические данные силы выброса

Близкая к отмеченной связь с внутренней энергией углеметана была установлена и по отношению к силе внезапных выбросов угля и газа (ВВУГ). Для этого были собраны и обработаны статистические данные шахт Карагандинского, Кузнецкого и Печерского бассейнов о зарегистрированных в период с 1943 г. по настоящее время 197 случаях внезапных выбросов. Из этой выборки исключены выбросы силой менее 20 т, так как эти газопроявления по их механизму принято относить к слабым газодинамическим явлениям. Оставшиеся 114 случаев распределены по группам с градацией по внут-

ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2014. № 3 (20)

ренней энергии углеметана через 10 кДж/кг. В каждой группе определена средняя сила выброса (синие точки). Результаты представлены на рис. 12.

Таким образом, изменение величины внутренней удельной поверхности частиц угля (деструкция) и интенсивность саморазрушения пласта имеют близкий физический механизм, связанный с реализацией упругой энергии газовой компоненты геоматериала.

Оперативное решение задач обеспечения газовой безопасности шахт требует применения экспресс-методов. Одним из таких методов диагностики геомеханического состояния пластов угля может являться метод заблаговременного определения удельной поверхности проб углей, отобранных в том числе и в действующих забоях.

Исследование параметров пористой структуры (размер и объем пор) углей с использованием адсорбции азота при температуре 77 К показало, что образцы угля имеют преобладающие размеры в области типичных макропор ^ > 100 нм) и, соответственно, не могут достоверно изучаться методами капиллярной конденсации. В ходе дальнейших исследований планируется к использованию более подходящий для этих целей метод ртутной порометрии. В табл. 2 приведены измеренные значения истинной плотности углей Кузбасса.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Таблица 2

Величины истинной плотности (р, г/см3) углей Кузбасса

р, г/см3 Образец

1 1(изм.*) 3 11 12 15 15(изм.) 16 16(изм.)

р1 1,447 1,334 1,418 1,457 1,544 1,456 1,420 1,355 1,389

Р2 1,370 - 1,364 1,395 1,380 1,306 - 1,348 -

р, г/см3 Образец

30 31 31(изм.) 32 34 35 36 37 39

р1 2,066 2,779 1,996 - - - 2,081 - 2,106

Р2 1,308 1,366 - 1,381 1,369 1,397 1,489 1,373 1,471

Исследования показали, что со временем хранения угля после забора проб в шахте ослабевают связи в углеметановом веществе, в том числе и связь метана с веществом угля.

В частности, было изучено изменение плотности угольных образцов при их измельчении, а для ряда образцов - в ходе хранения (р1 - плотность образца после хранения, р2 - плотность «свежего» образца) (рис.13, 14).

Значение плотности р2 хорошо соответствует типичным величинам плотности для каменных углей (1,3-1,4 г/см3) различной стадии метаморфизма.

р, г/см3

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

......lili

1 3 11 12 15 16 После забора проб в шахте

30

31 36 39 После хранения

Рис. 13. Изменение истинной плотности образцов углей (номера на рисунке) при хранении

Исследования показали, что со временем хранения угля ослабевают связи в углеметановом веществе, в том числе и связь метана с веществом угля. У проб углей со временем хранения 12 лет потери массы при нагревании до 500 0С почти в 3 раза больше, чем при их хранении в течение го-

да. Это подтверждает и зависимость внутренней энергии релаксации метаноносности Е от изменения массы угля. На рис. 15 приведена корреляционая зависимость внутренней энергии релаксации метаноносности и изменения массы угольных образцов при Т2.

35 30 25 20 15 10

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

» Д2= 0.6102

0

10

15

Время

фобы.

хранения

Рис. 14. Зависимость потери массы проб углей при 500 оС от времени их хранения

Очевидно, что наличие в образцах трудноудаляемых («сильно» связанных) форм летучих компонентов (пробы 1, 3, 38, 39) приводит к росту энергии релаксации метаноносности, и наоборот - легкоудаляемые формы (пробы 30, 31) обладают меньшими величинами Е.

Г*

250

200

150

100

50

о

й2= 0.9024

я • •

Д/77

10

20

30

40

Рис. 15. Взаимосвязь значений внутренней энергии релаксации метаноносности (Е, кДж/кг) и изменения

массы (Дт2) угольных образцов Кузбасса

В настоящее время можно лишь предположить, что это обусловлено различной способностью метана растворятся в этих формах «жидкоподобных» компонентах каменных углей, что требует дополнительных исследований. С другой стороны, как показано в [13], внутренняя энергия угле-метана максимальна для углей средней стадии метаморфизма. Образцы с прочными видами связи имеют выход летучих от 18 до 25% и относятся к средней стадии метаморфизма угля, которая является наиболее выбросоопасной.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Обсуждение результатов лабораторных экспериментов в сравнении с данными натурных наблюдений

На рисунках 7 и 8 первый температурный интервал (40-50 0С) условно можно идентифицировать как «геомеханический». Как экспериментально показано в работе [21], при отработке угольных месторождений этот температурный диапазон и чаще достижим в зонах опорного давления. Следовательно, вокруг вновь образуемых обнажений угольных пластов в таких термодинамических условиях необходимо реально учитывать индуцирование горными работами в массиве

энерго-массообменных процессов вокруг выработок, где изменение общей массы А ml может составлять около 4%, что весьма значительно. Этот температурный диапазон можно рассматривать как опасный по «самопроизвольному» флюидо-газовыделению слабосвязанных углеметана и жидкой фазы при ведении горных работ на соответствующих данному интервалу температур глубинах (одно из условий выбросоопасности пластов).

Так, В.А. Скрицкий в монографии [21] приводит важные для обсуждаемых нами массооб-менных процессов графики (рис. 16), касающиеся изменения температуры образцов угля во времени в зависимости от влагосодержания воздушной «атмосферы».

493

Т, К

453

333 293

7 1/2

/3

5

-6

0 1

Время, ч

Рис. 16. Изменение температуры угля при окислении в зависимости от величины влагосодержания

воздуха, кг/кг:

1 - 11.5-10-3; 2 - 15.0 10-3; 3 - 20.010"3; 4 - 29.010"3; 5 - 48.810-3; 6 - 62.510-3 [21]

Как следует из представленного рисунка, приведенные здесь графики зависимостей практически единообразны (вплоть до их «слияния») на начальном временном интервале (0-2 ч) с выходом (интервал 1-2 ч) на «плато» при установившихся температурах окисления угля в диапазоне 50-60 0С. Далее (после 2 ч) следует временной период при ярко выраженной «бифуркации» процессов окисления образцов угля с общей тенденцией быстрого нарастания температуры их разогрева и большого влияния влагосодержания окружающего воздуха (в данном случае в кг/кг: от 11.5-10"3до 62.5-10"3) на снижение скорости роста температуры.

В то же время, согласно [21], имеет место существенное изменение собственной влажности образцов угля в процессе их окисления на момент окончания стадии выпаривания (в среднем, от «исходной» в 5.2% до «конечной» 1.7 %) при достижении температуры угля 90 0С. Стадия интенсивного химического окисления угля наступает в данном случае лишь после снижения исходной собственной влажности примерно на 70%. Отмеченным обстоятельством (стадия интенсивного окисления с последующим переходом в стадию самовозгорания быстрее произойдет в отношении уголя с меньшей исходной влажностью) В.А. Скрицкий объясняет высокую эндогенную пожаро-опасность шахт Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса, где разрабатываемые крутые пласты угля обладают пластовой влажностью, обычно не превышающей 3.0-3.5%. «Крутые пласты» в данном случае свидетельствуют также и о приуроченности угольных шахт этого района к тектонически активному обрамлению Алтае-Саянского складчатого пояса по фактору геодинамического влияния (в частности, наличия разноуровневых разрывных нарушений).

В этой связи обратим внимание на то, что в приведенных выше данных наблюдается отличие примерно в 10 0С между температурой выпаривания влаги угольных образцов (~ 90 0С) и температурой кипения воды (100 0С). Подобного рода «температурные лаги», по-видимому, можно рассматривать для углей разных марок (или стадий метаморфизма) как значимые геомеханико-термохимические условия инициирования влаго-газообменных процессов в угольных массивах, приводящих к возникновению очагов самовозгорания угля.

Действительно, эту температурную зону (~ 90-100 0С) логично связать с условием активного выхода естественной влаги из поро-трещинной структуры угля за счет их термохимического разогрева. Однако высвобождение определенных объемов влаги из угля должно одновременно сопровождаться и возникновением зон декомпрессий внутри контролируемых объемов, некомпенсируе-мых действием горного давления и внутренним давлением остаточной газовой компоненты в высвобождаемом от жидкости поро-трещинном пространстве. Это в результате должно приводить к встречному процессу всасывания воздуха из выработок или разломно-трещинного пространства внутри углепородного массива. Естественно, интенсивность процесса образования и размеров зон «декомпрессии» в контролируемых объемах угля будет существенно зависеть от структуры, физико-химических и механических свойств углей (марка, стадии метаморфизма) и их массивов, господствующего температурного фона и изменений напряженно-деформированного состояния пород.

При падении давления газа в порах угля происходит десорбция газа и его расширение, связанные с поглощением теплоты адсорбции и падением внутренней энергии расширяющегося газа; падение температуры компенсируется притоком тепла от окружающей среды, причем интенсивность этого процесса тем выше, чем больше удельная поверхность угля.

Влага в угле быстрее забирает тепло у угля и передает его метану, следовательно, быстрее понижает температуру угля и не позволяет ему нагреваться [7]. С другой стороны, вода способствует набуханию и растрескиванию угля, что в свою очередь увеличивает скорость распада ТУГР и, в конечном счете, количество десорбирующегося метана. Процессы расширения приобретают тем большую скорость, чем больше пористость угля. В процессе десорбции потеря тепла при охлаждении метана «мгновенно» компенсируется за счет притока тепла из воды.

Молекулы воды обладают большим сродством к поверхности угля, чем молекулы метана [22], и присутствие воды в угле должно значительно снижать его сорбционную метаноемкость, что и было показано ранее.

Результаты подтверждают существование значительной части метана в пласте по типу твердого раствора и известный факт снижения газодинамической активности пласта при его увлажнении (рис. 17).

Рис. 17. Снижение энергии газовой компоненты пласта с ростом его влажности

Поскольку, как показано нами выше, вклад собственно горного давления в изменение диапазона температур сравнительно невелик, то профилактические меры по борьбе с внезапными выбросами угля и газа в подобного рода геомеханико-термодинамических условиях отработки угольных пластов могут быть связаны либо с использованием технологий понижения господствующего температурного фона угольного массива в зонах влияния очистных работ, либо обеспечения «плавного перехода» температурного фона за пределы зоны значений температур (40-50 0С) -в более высокотемпературную зону. Последнее обстоятельство, на первый взгляд, можно рассматривать как довольно парадоксальное.

Однако оно по существу перестает быть таковым, если обратим наше внимание на второй (рис. 7, 8) температурный интервал (440-510 0С), для которого потеря исходной массы для А m2 достигает в

среднем около 15%. Этот температурный диапазон примечателен тем, что с ним связаны процессы самовозгорания и горения угля на подземных горизонтах. Поэтому так же условно его можно назвать зоной высокотемпературных физико-химических процессов в углепородных массивах.

На первый взгляд, это совершенно разные процессы и отвечающие им температурные зоны. И, следовательно, к проблеме выбросоопасности угольных пластов температурный диапазон 440510 0С имеет как будто бы слабое касательство. Тем не менее, по-нашему мнению, глубинная связь здесь существует и на нее до сих пор, по-видимому, не обращали внимание. Наличие практически единых зависимостей, представленных на рис. 7, 8, может свидетельствовать ( с учетом отмеченного) о том, что на самом деле пожаро- и выбросоопасность угольных пластов - следствие единого геомеханико-термодинамического и физико-химического процесса, происходящего в угольных пластах при их отработке. В определенном смысле он должен быть квазиобратимым к тем энерго-массообменным процессам, что испытали исходные органогеннонасыщенные осадочные отложения в геологический отрезок времени их формирования по стадиям метаморфизма. По представлениям В.Н. Опарина [12], в основе формирования месторождений углеводородного ряда (графит ^ угли ^ асфальтены ^ нефть ^ газ,...), сопряженного с магматическими месторождениями, лежит именно этот единый геомеханико-термодинамический и физико-химический процесс (геокрекинговый механизм), реализовавшийся в известные крупные тектономагматические эпохи истории развития Земли). С этих позиций графики, типа представленных на рис.7, 8, содержат информацию о геомеханико-геодинамических, термодинамических и физико-химических условиях формирования угольных пластов для конкретных угольных районов Земли.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Таким образом, согласно рис. 7, 8, возникновение и развитие очагов самовозгорания угля в глубине массива по существу должно способствовать понижению уровня выбросоопасностми угольных пластов на определенных удалениях от их внешней «границы» (радиуса очага). Следовательно, отмеченному выше плавному переходу температурного фона угольных пластов за пределы опасного по выбросоопасности интервала 40-50 0С могут способствовать и подземные пожары (!). Если это так, то можно ожидать, что при определенных глубинах отработки угольных пластов рост температурного фона будет приводить к снижению уровня выбросоопасности угольных пластов.

Надо отметить, что определенные основания для подобного рода утверждений имеются, учитывая, что обсуждаемые нами геомеханические и физико-химические массообменные процессы в угольных пластах при их отработке тесно связаны с изменениями по глубине залегания их вещественно-структурных показателей и сорбционной метаноемкости.

В этом аспекте большой интерес представляют данные исследований, опубликованные в [7, 15, 17, 19]. Так, в [7] отмечено, что в зонах повышенного горного давления происходит изменение температуры в сторону возрастания.

Интересен анализ тенденции установленных связей с ростом глубины залегания пласта в точке отбора пробы угля, если принять давление газа равным гидростатическому, а температуру среды постоянной (15 0С). С ростом глубины залегания пласта от поверхности в точке отбора пробы угля (рис. 18), когда изменение давления газа близко к гидростатическому закону, а температура неизменна, среднее значение сорбционной метаноемкости углей Кузбасса на глубинах 200-400 м достигает предела, а затем снижается. Введение поправки на рост температуры с глубиной эту особенность делает еще более ярко выраженной [20].

Рис. 18. Зависимость сорбционной метаноемкости углей Кузбасса от глубины залегания пластов в точках отбора проб [22]

Возможное объяснение этой особенности, как представляется, связано с геодинамическими и с тектоно-магматическими условиями формирования Кузнецкого угольного бассейна. По исходным экспериментальным данным [4] получены средние глубины отбора проб углей по геологическим сериям: балахонская - 250 м; кольчугинская - 186 м.

Таким образом, рассматриваемая тенденция отражает, возможно, не только глубину, как определяющую литологическое давление и, соответственно, формирование твердых углеметано-вых растворов [10], но и включает особенности свойств угленосных залежей, имеющих различные геологические условия возникновения и преобразования.

О немонотонной связи между выходом летучих, предельной внутренней энергии релаксации и диапазонами глубин выбросоопасности углей Кузбасса свидетельствует рис. 19, представленный в работе [6].

Рис. 19. Изменение предельных значений внутренней энергии релаксации для углей Кузбасса [13]: 1-4 - подсерии: 1 - верхнебалахонская; 2 - нижнебалахонская; 3 - ильинская; 4 - ерунаковская

Выводы

Таким образом, проведенный комплексный научный анализ геомеханического и термохимического поведения образцов углей различных стадий метаморфизма по угленосным районам Кузбасса позволяет заключить о существовании генетической связи между выбросо- и пожаро-опасностью угольных пластов, диктуемой геомеханико-геодинамическими и термохимическими условиями формирования угольных месторождений в минувшие тектономагматические эпохи истории развития Земли. Следовательно, в отличие от существующих и доминирующих ныне подходов к моделированию процессов формирования очаговых зон катастрофических событий в массивах горных пород неорганической природы, адекватное решение проблем выбросоопасности и пожароопасности угольных месторождений должно основываться на учете реально существую-

щей тесной связи между геомеханическими и физико-химическими массообменными процессами в многофазных угольных пластах разной стадии метаморфизма при их отработке на заданных глубинах и температурном фоне.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеев А.Д., Айруни А.Т., Зверев И.В. и др. Свойства органического вещества угля образовывать с газами метастабильные однофазные системы по типу твердых растворов // Диплом № 9 на научное открытие, РАЕН, 1994.

2. Госорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. М.: Мир, 1988. 420 с.

3. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.: Мир, 1984. 306 с.

4. Каталог метаноемкости углей Кузбасса. Кемерово: ВостНИИ, 1969.

5. Киряева Т.А. Особенности устойчивых состояний искусственных и природных углеметановых систем // Естественные и технические науки. М.: Изд-во Спутник+, 2011. № 4. C. 309-318.

6. Киряева Т.А. Разработка метода газодинамической активности угольных пластов по геологоразведочным данным на примере Кузбасса. Saarbrucken, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co, 2011.

7. Киряева Т.А., Родин Р.И. К вопросу о механизме возникновения высоких температур при разработке угольных пластов // Уголь. 2010. № 2. C. 27-29.

8. Ковчавцев А.П. Тепловизор: лучше один раз увидеть // Наука из первых рук. 2012. № 5. С. 34-43.

9. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. Изд. 3-е. М.: Наука, 1965. 204 с.

10. Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов. М.: Изд-во Академии горных наук, 2000. 519 с.

11. Опарин В.Н. Волны маятникового типа и «геомеханическая температура» // Тр. 2-й Рос.-Кит. конф. «Нелинейные геомеханико-геодинамические процессы при отработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах». Новосибирск: ИГД СО РАН, 2012.

12. Опарин В.Н. Геотехнологии будущего - геотехнологии «реакторного типа»: современные тенденции, научный задел, ключевые проблемы // Тр. Всерос. конф. с участием иностр. уч. «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды». Т. 1. Новосибирск: ИГД СО РАН, 2012.

13. Опарин В.Н., Киряева Т.А. К вопросу о возникновении температуры в углеметановых образцах при нагружении и возможных методах их контроля // Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды. Новосибирск: ИГД СО РАН, 2012.

14. Опарин В.Н., Киряева Т.А., Гаврилов В.Ю., Шутилов Р.А., Ковчавцев А.П., Танайно А.С., Ефимов В.П., Астраханцев И.Е., Гренев И.В. О некоторых особенностях взаимодействия между геомеханическими и физико-химическими процессами в угольных пластах Кузбасса // ФТПРПИ. 2014. № 2. С. 3-30.

15. Опарин В.Н., Усольцева О.М., Семенов В.Н., Цой П.А. О некоторых особенностях эволюции напряженно-деформированного состояния образцов горных пород со структурой при одноосном нагружении // ФТПРПИ. 2013. № 5. с. 3-19.

16. Полевщиков Г.Я. Киряева Т.А., Плаксин М.С. Газодинамические следствия зональной дезинтеграции углеметановых пластов // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Т. 1. Новосибирск: ИГД СО РАН, 2011. С. 420-425.

17. Полевщиков Г.Я. Киряева Т.А. Энергия релаксации сорбционной метаноемкости углей // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2006. Тематическое приложение МEТАН. С. 84-90.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

18. Полевщиков Г.Я., Плаксин М.С. Газодинамическая активность угольных пластов и зональная дезинтеграция массива горных пород при ведении подготовительных выработок // Нелинейные геомеханико-геодинамические процессы при отработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах: Труды 2-й Российско-Китайской научной конференции, 02-05 июля 2012 г., Новосибирск. Новосибирск: ИГД СО РАН, 2012. С. 83-89.

19. Рац М.В. Неоднородность горных пород и их физических свойств. М.: Наука, 1968. 105 с.

20. Рудаков В.А., Киряева Т.А. Особенности сорбционной метаноемкости углей Кузбасса // Вопросы безопасности труда на горных предприятиях. Кемерово: КузГТУ, 2003. № 2. С. 123-127.

21. Скрицкий В.А. Механизм возникновения очагов самовозгорания угля в шахтах и способы их предотвращения. Новосибирск: Изд-во Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2013.

22. Ходот В.В. Влияние влажности на газоносность ископаемых углей. Изд-во АН СССР, ОТН. 1952. № 12. THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE

Rock failure mechanisms in the surrounding rock masses with deep level tunnels and in the source areas of disastrous events

Oparin V.N., Kiryaeva T.A.

VIKTOR N. OPARIN, Member-Correspondent, Russian Academy of Sciences, Professor, Doctor of Physics, Director, Chinakal Institute of Mining, SB RAS, Novosibirsk, e-mail: oparin@misd.nsc.ru, 54 Krasny prospect, Novosibirsk 630091, Russia; TATIANA A. KIRYAEVA, Ph.D., Senior Researcher (Institute of Coal and Coal Chemistry KemSC SB RAS, Kemerovo), e-mail: kiryaevata@icc.kemsc.ru

Geomechanical and physicochemical processes as determinants of outburst hazard and fire risk in the coal beds of Kuzbass

The authors have carried out the research to demontsrate the genetic affinity of the outburst hazard and fire risk in different rank coal beds in Kuzbass, resulting from specificity of geomechanical, geody-namic and thermochemical conditions and their evolution features during the orogenesis of the Earth ("geo-cracking" mechanism of hydrocarbon deposit formation by V.N. Oparin). It is emphasized that, as distinguished from the existing and dominating approaches to modelling the formation of the source zones of disastrous events in inorganic-nature rock masses, the adequate solution of the problems on outburst hazard and fire risk in coal fields should be based on the actual close relationship of the geomechan-ical and physicochemical mass-transfer processes running in multiphase coal beds of different rank in the course of mining at the predetermined depth and temperature.

It has been experimentally proved that:

- the infrared radiometry allows a remote control of the change in the stress-strain state of coal samples under real-time loading;

- the growth of inner specific surface area takes place in broken coal particles associated with the force of coal and gas outbursts during mining and, consequently, with the internal energy of elastic relaxation of coal-methane;

- there is a complete relationship between the mass loss Am and the temperature of coal samples within two marked ranges: T1, from 40 to 60 °C and T2, from 480 to 500 °C. The coal mass loss within T2 is also connected with the internal energy of relaxation of coal methane;

- devolatalisation goes with endo-effects;

- in the course of storage time of the coal samples after their extraction from productive strata, weakening of the gas component in the coal-methane substance is observed (including the connection of methane and coal.)

Key words: stress-strain state, temperature, coal, release of volatile gases, specific surface, structure, porosity, density, oxidation, combustion, outburst hazard, metamorphosis stages.

REFERENCES

1. Alekseev. A.D., Airuno A.T., Zverev I.V. et al. Properties of organic matter to form coal with gas meta-stable single-phase systems like solid solutions, Diploma number 9 on the scientific discovery of Natural Sciences, 1994. (in Russ.). [Alekseev A.D., Ajruni A.T., Zverev I.V. i dr. Svojstva organicheskogo veshhestva uglja obra-zovyvat' s gazami metastabil'nye odnofaznye sistemy po tipu tverdyh rastvorov // Diplom № 9 na nauchnoe ot-krytie, RAEN, 1994].

2. Gosorg J. Infrared thermography. Fundamentals, technology and application. M., World 1988, 420 p. (in Russ.). [Gosorg Zh. Infrakrasnaja termografija. Osnovy, tehnika, primenenie. M.: Mir, 1988. 420 s.].

3. Greg S., Sing K. Adsorption, surface area, porosity. M., World 1984, 306 p. (in Russ.). [Greg S., Sing K. Adsorbcija, udel'naja poverhnost', poristost'. M.: Mir, 1984. 306 s.].

4. Catalog metanoemkosti Kuzbass coals. Kemerovo Vost N II, 1969. (in Russ.). [Katalog metanoemkosti uglej Kuzbassa. Kemerovo: VostNII, 1969].

5. Kiryaeva T.A. Features stable states of artificial and natural of coal and methane systems. Natural and engineering sciences. M., Sputnik +, 2011;4:309-318. [Kiijaeva T.A. Osobennosti ustojchivyh sostojanij is-kusstvennyh i prirodnyh uglemetanovyh sistem // Estestvennye i tehnicheskie nauki. M.: Izd-vo Sputnik+, 2011. №

4. C. 309-318].

6. Kiryaeva T.A. Development of a method of gas-dynamic activity of the coal seams for geological exploration data on the example of the Kuzbass. Saarbrucken, Germany, LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co, 2011. (in Russ.). [Kiijaeva T.A. Razrabotka metoda gazodinamicheskoj aktivnosti ugol'nyh plastov po ge-ologo-razvedochnym dannym na primere Kuzbassa. Saarbrucken, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co, 2011].

7. Kiryaeva T.A., Rodin R.I. On the mechanism of occurrence of high temperatures in coal seams. Coal. 2010;2:27-29. (in Russ.). [Kirjaeva T.A., Rodin R.I. K voprosu o mehanizme vozniknovenija vysokih temperatur pri razrabotke ugol'nyh plastov // Ugol'. 2010. № 2. C. 27-29].

8. Kovchavtsev A.P. The imager is better to see once. Science First Hand. 2012; 5:34-43. (in Russ.). [Kovchavcev A.P. Teplovizor: luchshe odin raz uvidet' // Nauka iz pervyh ruk. 2012. № 5. S. 34-43].

9. Landau L.D., Lifshitz E.M. Theory of elasticity, ed. 3rd. M., Science, 1965, 204 p. (in Russ.). [Landau L.D., Lifshic E.M. Teorija uprugosti. Izd. 3-e. M.: Nauka, 1965. 204 s.].

10. Malyshev Y.N., Troubetzkoy K.N., Airuno A.T. Fundamental and applied methods for solving the problem of pro-coal seams. M., Academy of Mining Sciences, 2000, 519 p. (in Russ.). [Malyshev Ju.N., Trubeckoj K.N., Ajruni A.T. Fundamental'no-prikladnye metody reshenija problemy ugol'nyh plastov. M.: Izd-vo Akademii gornyh nauk, 2000. 519 s.].

11. Oparin V.N. Pendulum Waves and "geomechanical temperature." Tr. 2nd Ros.-Kit. conf. "Nonlinear geomechanics geodynamic processes in the mineral deposit is a dig at great depths." Novosibirsk, Institute of Mining SB RAS, 2012. (in Russ.). [Oparin V.N. Volny majatnikovogo tipa i «geomehanicheskaja temperatura» // Tr. 2-j Ros.-Kit. konf. «Nelinejnye geomehaniko-geodinamicheskie processy pri otrabotke mestorozhdenij poleznyh is-kopaemyh na bol'shih glubinah». Novosibirsk: IGD SO RAN, 2012].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

12. Oparin V.N. Geotechnology future - Geotechnology "reactor": modern trends-tion, scientific basis, the key issues. Tr. All-Russia. conf. with foreign participation. "Fundamental problems of formation of technogenic geomedium." Vol. 1, Novosibirsk Institute of Mining SB RAS, 2012. (in Russ.). [Oparin V.N. Geotehnologii bu-dushhego - geotehnologii «reaktornogo tipa»: sovremennye tendencii, nauchnyj zadel, kljuchevye problemy // Tr. Vseros. konf. s uchastiem inostr. uch. «Fundamental'nye problemy formirovanija tehnogennoj geosredy». T. 1. Novosibirsk: IGD SO RAN, 2012].

13. Oparin V.N., Kiryaeva T.A. On the question of the origin of the temperature in the uglemetanovyh samples during loading and possible methods for their control. Fundamental problems of formation of techno-genetic geomedium. Novosibirsk: Institute of Mining SB RAS, 2012. (in Russ.). [Oparin V.N., Knjaeva T.A. K voprosu o vozniknovenii temperatury v uglemetanovyh obrazcah pri nagruzhenii i vozmozhnyh metodah ih kontrolja // Fundamental'nye problemy formirovanija tehnogennoj geosredy. Novosibirsk: IGD SO RAN, 2012].

14. Oparin V.N., Kiryaeva T.A., Gavrilov V., Shutilov R.A., Kovchavtsev A.P. Tanayno A.S., Efimov V.P., Astrakhantsev I.E., Grenier I.V. On some features of the interaction between geomehanical and physico-chemical processes in the Kuzbass coal seams. FTPRPI, 2014;2:3-30. (in Russ.). [Oparin V.N., Kirjaeva T.A., Gavrilov V.Ju., Shutilov R.A., Kovchavcev A.P., Tanajno A.S., Efimov V.P., Astrahancev I.E., Grenev I.V. O nekotoryh osobennostjah vzaimodejstvija mezhdu geomehanicheskimi i fiziko-himicheskimi processami v ugol'nyh plastah Kuzbassa // FTPRPI. 2014. № 2. S. 3-30].

15. Oparin V.N., Usol'tseva O.M., Semenov V.N., Choi P.A. On some features of the evolution of the stress-strain state of rock samples with the structure under uniaxial loading. FTPRPI. 2013;5:3-19. (in Russ.). [Oparin V.N., Usol'ceva O.M., Semenov V.N., Coj P.A. O nekotoryh osobennostjah jevoljucii naprjazhenno-deformirovannogo sostojanija obrazcov gornyh porod so strukturoj pri odnoosnom nagruzhenii // FTPRPI. 2013. №

5. S. 3-19].

16. Polevschikov G.Ya., Kiryaeva T.A., Plaxin M.S. Gas-dynamic investigation of zonal disintegration formations. Geodynamics and stress state of the Earth's interior. Vol. 1 Novosibirsk Institute of Mining SB RAS, 2011, p. 420-425. (in Russ.). [Polevshhikov G.Ja, Kirjaeva T.A., Plaksin M.S. Gazodinamicheskie sledstvija zon-al'noj dezintegracii uglemetanovyh plastov // Geodinamika i naprjazhennoe sostojanie nedr Zemli. T. 1. Novosibirsk: IGD SO RAN, 2011. S. 420-425].

17. Polevschikov G.Y., Kiryaeva T.A. Energy relaxation sorption metanoemkosti coals. Mining in-formation-analytical bulletin. 2006, Topical application METAN, p. 84-90. (in Russ.). [Polevshhikov G.Ja. Kirjaeva T.A. Jenergija relaksacii sorbcionnoj metanoemkosti uglej // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. 2006. Tematicheskoe prilozhenie METAN. S. 84-90].

18. Polevschikov G.Y., Plaxin M.S. Gas-dynamic activity of coal seams and LP-onal des-integration of the rock mass in the management of development workings. Nonlinear Mechanics and geomechanical-geodynamic processes when developing mineral deposits in-depths, pain. Proceedings of the 2nd Russian-Chinese Conference, 02-05 July 2012, the New Siberian. Novosibirsk, Institute of Mining SB RAS, 2012, p. 83-89. (in Russ.). [Polevshhikov G.Ja., Plaksin M.S. Gazodinamicheskaja aktivnost' ugol'nyh plastov i zo-nal'naja dezintegracija massiva gornyh porod pri vedenii podgotovitel'nyh vyrabotok / «Nelinejnye geomehaniko-geodinamicheskie processy pri otrabotke mes-torozhdenij poleznyh iskopaemyh na bol'shih glubinah» // Trudy 2-j Rossijsko-Kitajskoj nauchnoj konferencii, 02-05 ijulja2012 g., Novosibirsk. Novosibirsk: IGD SO RAN, 2012. S. 83-89].

19. Rat M.V. Heterogeneity of rocks and their physical properties. M., Science, 1968, 105 p. (in Russ.). [Rac M.V. Neodnorodnost' gornyh porod i ih fizicheskih svojstv. M.: Nauka, 1968. 105 s.].

20. Rudakov V.A., Kiryaeva T.A. Features sorption the amount of methane of Kuzbass coals. Questions safety in mines. Kemerovo, KuzGTU, 2003;2:123-127. (in Russ.). [Rudakov V.A., Kirjaeva T.A. Osobennosti sorbcionnoj metanoemkosti uglej Kuzbassa // Voprosy bezopasnosti truda na gornyh predprijatijah. Kemerovo: KuzGTU, 2003. № 2. S. 123-127].

21. Skritsky V.A. The mechanism of the appearance of foci of spontaneous combustion of coal in the mines and how to prevent them. Novosibirsk, Publishing House of State. Acad. Waters. Transport, 2013. (in Russ.) [Skrickij V.A. Mehanizm vozniknovenija ochagov samovozgoranija uglja v shahtah i sposoby ih predotvrashheni-ja. Novosibirsk: Izd-vo Novosib. gos. akad. vod. transp., 2013].

22. Khodot V.V. Influence of humidity on the gas content of coals. Publishing House of the Academy of Sciences of the USSR, OTN. 1952. N 12. (in Russ.) [Hodot V.V. Vlijanie vlazhnosti na gazonosnost' iskopaemyh uglej. Izd-vo AN SSSR, OTN. 1952. № 12].