Причины повышенного метановыделения при внезапных выбросах угля и газа в шахтах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

--© Г.Н. Фейт, О.Н. Малинникова,

2008

Г.Н. Фейт, О.Н. Малинникова

ПРИЧИНЫ ПОВЫШЕННОГО МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСАХ УГЛЯ И ГАЗА В ШАХТАХ1

А нализ фактических данных о газодинамических явле-ниях

-/Т. и опыта дегазации угольных пластов в шахтах показывает, что существуют два феномена, связанные с про-цессами метановы-деления из угольных пластов. С одной сто-роны известно, что угольные пласты весьма трудно отдают газ и поддаются дегазации скважинами. Пластовая дегазация угольных пластов из горных выработок в виду ограниченности времени обычно не превышает 3-5 м3/т. Заблаговременная дегазация скважинами с поверхности может быть более эффективной, но она требует много времени и больших капитальных и энергетических затрат. С другой стороны при разработке угольных пластов самопроизвольно могут происходить внезапные выбросы большого количества метана и измельченного угля, которые нередко сопровождаются катастрофическими последствиями, в том числе взрывами метана.

При этом остается без должного внимания феномен выделения при явлениях внезапных выбросов угля и газа больших количеств метана, часто многократно превышающих природную газоносность угольных пластов. Задачей исследования было разобраться в его физической сущности с целью повышения надежности и эффективности современных способов прогноза и предотвращения газодинамических явлений. Для этого был выполнен комплекс исследований, включавший анализ фактических данных о газодинамических явлениях, геомеханические и физико-химические исследования.

Анализ статистических данных по силе проявления внезапных выбросов угля и газа, произошедших на шахтах Кузбасса за период 1986-2005 г.г. показал, что диапазоны изменения

1 Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 07-05-00718, 08-05-90437-Укр

206

Хв, Хо, м3/т 300 -, 250 200 150

1 -

-Т5-<5-" 'о О

"о" 5 "

200

300

400

500

600

700

800

Хсиг

Н, м

900

И - газовыделение Хв при газодинамических явлениях, И - природная газоносность Хо соответствующих угольных пластов

50

0

Рис. 1. Метановыделение при газодинамических явлениях на шахтах Кузбасса и Воркуты

силы выбросов находятся в пределах от 5 до 720 т выброшенного в горную выработку угля и от 230 до 42000 м3 выделившегося газа -метана. При этом отношение количества выделившегося метана на тонну выброшенного угля колебалось в очень широком диапазоне от 30 до 250 м3/т, составляя в среднем 89,7 м3/т. Отношение количества выделившегося газа на тонну выброшенного угля (Хв, м3/т) к природной газоносности угольного пласта (Х, м3/т) изменялось в пределах от 0,97 до 11,10 при среднем значении 4,5 (рис. 1).

Выявлена определенная зависимость силы проявления газодинамических явлений от природно-техногенных условий их возникновения. Наиболее сильные выбросы происходят при вскрытии пластов квершлагами и проведении уклонов с применением буровзрывных работ или проходческих комбайнов, что безусловно связано с большой мощностью техногенного воздействия и высокой скоростью изменения вида напряженного состояния призабойного массива горных пород, вызывающих активизацию геомеханических и механохимических процессов образования дополнительного метана при разрушении угля как в объемном напряженном состоянии, так и непосредственно в процессе выброса.

207

N 40 -|

z

0 10000 20000 30000 40000 50000

Сила газодинамических явлений

Рис. 1. Эмпирическая функция распределения силы газодинамических явлений в Кузбассе и Воркутинском месторождении в период 1975-2003 г

Установлена закономерная взаимосвязь между частотой проявления динамических явлений в шахтах Кузнецкого и Воркутин-ского месторождений в период 1975-2003 гг. и их силой, измеряемой в м3 выделившегося газа, которая описывается эмпирической степенной функцией распределения N = =54624 Q-1,07, где N - число газодинамических явлений, Q - сила динамического явления, измеряемая в м3 выделившегося газа (рис. 2).

Эмпирическая функция взаимосвязи частоты и силы газодинамических явлений в логарифмических координатах имеет вид Л = AlgN/AlgQ = Const = 0,76. Найденная зависимость позволяет достаточно точно количественно оценивать риск газодинамических явлений с учетом не только частоты (вероятности), но и силы их проявления.

Надо отметить, что установленная эмпирическая взаимосвязь между частотой проявления газодинамических явлений и их силой, описываемая степенной функцией распределения встречается в различных физических явлениях и характерна для природных и природно-техногенных катастроф (землетрясений, оползней, наводнений, лавин, извержений вулканов) [1, 2]. Степенное (самоподобное) распределение безусловно отражает принцип блочного строе-

208

ния и многообразие иерархических уровней разрушения массива горных пород впервые отмеченное в работах М.А.Садовского и его школы [3].

На основе выполненного нами комплекса натурных и лабораторных исследований [4-6] причины феномена аномально высокого метановыделения при внезапных выбросах угля и газа в шахтах многократно превышающего природную газоносность угольных пластов можно объяснить следующим образом.

Исследование механизма развития процесса разрушения угля при внезапных выбросах показывает, что его можно разделить на две стадии: первичное разрушение предельно напряженного угольного пласта в призабойной зоне на стадии формирования выбросо-опасной ситуации и лавинное самоподдерживающиеся разрушение с выбросом в горную выработку углегазовой смеси непосредственно во время газодинамического явления.

На первой стадии разрушение происходит в условиях объемного напряженного состояния преимущественно сдвигом и может быть описано условием прочности Кулона-Мора. При этом процесс разрушения угольного пласта сдвигом в условиях высоких напряжений может сопровождаться механо-химичес-ким эффектом дополнительного образования метана в количестве до 3-7 м3/т, по данным физического моделирования и натурных наблюдений [4-6] за счет частичного диспергирования вещества угля (алифатической части) на микроуровне.

На второй стадии разрушения во время газодинамического явления разрушение угля происходит путем отрыва за счет энергии упругого восстановления и энергии выделяющегося из угля газа. Особенностью такого разрушения является то, что оно происходит не в стесненных для деформирования условиях среды, зажатой объемным напряженным состоянием, а в условиях свободных для деформации. На этом этапе основным механизмом разрушения угля и диспергирования его до мелких фракций типа «бешенной муки» является уже отрыв, который происходит в основном за счет энергии выделяющегося из угля газа. Другой особенностью этого разрушения является то, что оно происходит во всем объеме, ограниченным фронтом дробления по С.А. Хри-стиановичу или блоками (элементами) разрушаемой среды. Здесь образование и развитие отдельных магистральных трещин, как в условиях объемного сжатия уже не происходит, а разруше-

209

ние носит множественный взрывной характер во всем объеме разрушаемого блока, что приводит к высокой степени диспергирования, в том числе на молекулярном уровне, с образованием больших количеств метана. Экспериментальная проверка, выполненная нами ранее на моделирующей установке [4] подтвердила возможность разрушения угля волной дробления расширяющимся газом при быстром снятии напряжений объемного сжатия. Как показали исследования, зависимость между предельным давлением метана Р*, вызывающим разрушение волной дробления с выбросом газоугольной смеси, и прочностью угля может быть выражена линейной функцией вида

Р* > 0,5 + 11-Ор,

где ор - прочность угля на разрыв, МПа.

Исследования, проведенные методом ИК- спектроскопии [7] показывают, что в раздробленном угле, образовавшемся в процессе внезапного выброса, разрушения происходили на молекулярном уровне, в том числе при выбросе отрывается большое количество метильных групп. Так исследование угля из пласта Мазур шахты Юнком (Донбасс) показало, что в результате внезапного выброса количество углерода в метильных группах угля сократилось от 3,1 % от СйаГ до. 0,1 % от то есть от 28,1 кг до 0,7 кг на тонну угля. Это составляет приблизительно 1027 метильных групп на тонну выброшенного угля. Если предположить, что каждая метильная группа встретит оторвавшийся атомарный водород, то из тонны разрушающегося угля при этом внезапном выбросе может дополнительно образоваться приблизительно 51 м3/т метана [6]. При природной газоносности пласта Мазур шахты Юнком 20^24 м3/т расчеты подтверждают, что образовавшееся количество метана в этом случае превышает природную газоносность пласта больше чем вдвое, а из рис. 1 следует, что в отдельных случаях это превышение может быть многократным.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шебалин Н.В. Закономерности в природных катастрофах. М.: Знание. -1985. - 48 с.

2. Hovins C., Stack C.H., Allen P.A. Sidiment flux from a mountain belt derived by landslide mapping. Geology. 1997. v. 25. N 3. P. 231-234.

3. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. О свойстве дискретности горных пород// Изв. АН СССР. Физика Земли. - 1982. - № 12. - С. 3-18.

210

4. Фейт Г.Н. Результаты моделирования процесса разрушения газоносных углей при внезапных выбросах / Создание способов и средств для разработки вы-бросоопасных угольных пластов. Науч.сообщ.// Ин-т горного дела им. А.А. Ско-чинского. М., - 1978. - Вып. 169. - С.41-47.

5. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Механохимические процессы метанообра-зования в угольных пластах в условиях высоких напряжений/ ГИАБ, Тема-тич.прилож. «Метан»: МГГУ - 2006. - С. 137-144.

6. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Особенности и закономерности геомеханических и физико-химических процессов формирования очагов опасности газодинамических явлений в шахтах./ ГИАБ, Тематич.прилож. «Метан»: МГГУ -2007. - С. 192-206.

7. К вопросу изучения химического строения углей из опасных и неопасных по выбросам пластов//Яновская М.Ф., Брызгалова Н.И., Хренкова Т.М., Хрусталев Ю.А., Кирда B.C. / Химия твердого топлива. - 1986. - № 1. - С.20-22. Г^Ш

— Коротко об авторах -

Фейт Г.Н. - профессор, доктор технических наук,

Малинникова О.Н. - ст. научный сотрудник, кандидат технических наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.

В. С. Лебедев

УГЛЕВОДОРОДНЫЙ СОСТАВ И ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ УГЛЕРОДА МЕТАНА УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ И ГАЗОВЫХ СКОПЛЕНИЙ, СФОРМИРОВАВШИХСЯ ЗА СЧЕТ «УГОЛЬНЫХ»

© В.С. Лебедев, 2008

211