CC BY
31
----------------------------------- © А.В. Шестопалов, 2005
УДК 622.831.325.3 А.В. Шестопалов
ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ ГЛУБОКИХ ШАХТ И РУДНИКОВ И НЕКОТОРЫЕ ИХ РЕШЕНИЯ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ СИНЕРГЕТИКИ И ДРУГИХ МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫХ НАУК
Сточки зрения синергетики [1] и других междисциплинарных наук все кажущееся многообразие спонтанных (самопроизвольных) процессов пылегазофлюидодинамики при подземном способе разработки на больших глубинах является одним процессом - самообразованием безопасной зоны выемки (БЗВ) в краевой части разрабатываемого горного массива. Все про-тивовыбросные мероприятия основаны на увеличении БЗВ. Основные шахтные способы определения ударо- и выбросоопасности, в т.ч. все способы определения эффективности противовыбросных мероприятий основаны на косвенной оценке размеров БЗВ, например, по динамике начальной скорости газовыделения.
Весь рудничный газ в шахтах и рудниках по своему происхождению «трансферный» [1]. Всюду ниже границы зоны газового выветривания он проникает в выработку через газонепроницаемое геовещество, т.е. попадает неизвестным образом. Это не диффузия и не появление проницаемости в непроницаемом угле за счет усадки вещества в результате естественной дегазации. Газообильность всегда выше газоносности, т.е. выделяется газа больше, чем содержалось по данным геологоразведки. Феномен появления впервые газа или первого взрыва наступит при достижении некоторой глубины разработки для любого геоматериала. Будь это уголь или каменная соль или другое твердое полезное ископаемое или горная порода вообще, например, песчаник. Глубина ведения работ, при которой наблюдается газовыделение в выработки, не является глубиной залегания газоносных пород. Метан может мигрировать по трещинам и появиться на любой глубине, например, при рытье погреба.
Все динамические (ДЯ) и газодинамические явления (ГДЯ) от образования микротрещины до горного удара и выброса угля, породы и газа - это всем известный «отжим» - процесс самообразования безопасной зоны выемки (БЗВ). То, что потом обеспечивает безопасность, оказалось, при своем «рождении» является опасностью. То есть, механизм образования зоны БЗВ (краевой части пласта, где выбросы происходить не могут) и механизм выброса угля, породы и газа (ГДЯ) один и тот же. Разрушение забоя выработки при выбросе, которое традиционно считалось следствием давления газа, оказалось причиной появления этого газа. Модель «газовый мешок - мембрана», заключающаяся в том, что мембрана становится тонкой и разрушается под действием давления газа, ошибочна. Оказалось, что «газовых мешков» изначально в пласте нет, а они порождаются «мембраной» (краевой частью угольного пласта).
Метан содержится лишь в части угольного пласта, называемой коллектором [1]. В ископаемом (до ведения горных работ) угольном пласте его не было, метан или другой рудничный газ генерируется растущими техногенными трещинами саморазрушения в результате твердофазной реакции разложения твердого углеводородного, то есть атомарного, раствора (ТУВРа) при «продувке» геовещества горным давлением критической плотности. Непосредственно синтез молекул метана происходит на микроуровне при скачкообразно появляющейся анизотропии атомарной проницаемости в краевой части микродефекта.
Для открытой нетермодинамической системы «горный массив -выработка» аналогом законов сохранения является баланс стоков и истоков горного давления. Генерируемый тот или иной газ (вид молекул) является одной из диссипативных структур И.Пригожина, такой же как например конвективные ячейки Бенара или как их аналог - образование зоны отжима в краевой части угольного пласта. Синтез конкретного газа - это реакция системы на внешнее энергетическое воздействие. Газообильность - это функция «агресивности» технологии (скорости подвигания забоя, размеров поверхности обнажения и др.).
Широко известно, что по мере «погружения» системы «угольный пласт - горная выработка» на глубину, выбросоопасность скачкообразно появляется, затем, в некотором интервале глубин, устойчиво присутствует и, затем скачкообразно исчезает. Используя аналогию, можно сказать, что наблюдается как бы верхний и нижний предел
«взрываемости». Чтобы не иметь выбросов, систему «горный массив -выработка» нужно либо: а) не доводить до верхнего предела, либо б) перевести в состояние, когда выброс станет невозможным (увести систему за нижний предел) и в нормальных (комфортных) условиях вести выемку угля без модернизации традиционной технологии. Вариант «а» не возможен по объективным причинам - не увеличивать глубину разработки нельзя. Вариант «б» технически возможен, в т.ч. и без модернизации традиционной технологии. Для этого необходимо контролировать размеры БЗВ и увеличивать их при необходимости.
Список способов воздействия на самопроизвольный процесс образования БЗВ (на так называемый «отжим») широко известен, например, небольшая часть этого списка следующая.
Способ уменьшения интенсивности выброса или способ поддержания кровли. Процесс выброса или высыпания угля продолжается до тех пор, пока разрушенный уголь (порода) может транспортироваться газом и (или) гравитационными силами и не создает подпора ненарушенному массиву. В противном случаедальнейшее разрушение происходит в квазиста-ционарном режиме формирования безопасной зоны выемки (БЗВ).
Способ уменьшения числа выбросов. Конденсация влаги на груди забоя (известный предупредительный признак) свидетельствует о том, что фронт зоны разгрузки находится в непосредственной близости от обнаженной поверхности и генерируемый ею (выделяющийся) газ расширяясь охлаждает забой. Поэтому чем больше ширина захвата выемочного органа комбайна, тем выше вероятность «вскрытия» фронта БЗВ и возникновения выброса. При комбайновой выемке и добыче угля буровзрывным способом число выбросов больше, чем при струговой выемке.
Способ не иметь выбросов вообще. Состояние системы «пласт
- выработка», когда выброс становится не возможным на любой глубине от дневной поверхности, достигается образованием в краевой части угольного пласта БЗВ очень значительных (достаточных) размеров. Способ работает следующим образом. Разупрочненная часть угольного пласта медленно «вытекает» в горную выработку (явление называется отжимом). Противодавление (подпор) на ненарушенный массив со стороны выработки уменьшается. По мере выемки полезного ис-копаемого зона (БЗВ) скачкообразно неуправляемо прирастает на величину «зоны приращения». В данном способе «буферная зона» обязана выдерживать натиск потока «де-
сорбирующегося» (генерируемого) метана, не разрушаясь. И, тем самым, препятствовать развитию зародившегося на острие растущей магистральной трещины выброса угля и газа и подавлять его. Поэтому БЗВ должна быть достаточно больших размеров.
Способы и средства увеличения БЗВ для угля и породы специалистам известны очень давно - это гидроотжим призабойной зоны, бурение различных шпуров и скважин с целью образования опережающих полостей, разгрузочных щелей и др. Способы контроля БЗВ также известны, например, при помощи напоромера ПГ2-МА в комплекте с герметизатором ЗГ-1 и др. Но, так как замерная камера всегда соединена трещинами с выработкой, а напоромер имеет на выходе капиллярное отверстие, часть газа идет в обход герметизатора. И какая это часть (даже большая или меньшая) нормативными способами не предусмотрено определять. Для мощных угольных пластов и соответственно больших (десятки метров) БЗВ, герметизатор ЗГ-1 имеет не достаточную длину (3м). Поэтому средства контроля размеров БЗВ нуждаются в модернизации и разработке новых.
В свете новых представлений, теоретически возможна безопасная добыча традиционными геотехнологиями.
Технология с противовыбросными мероприятиями и дегазацией из подземных выработок в соответствии с нормативными документами. Традиционно очистные и подготовительные работы, когда выброс то есть, то его нет, ведутся на линии бифуркаций (образно говоря на грани, как бы «на краю пропасти»). Автор предлагает увести систему «горный массив - выработка» в область больших и очень больших БЗВ, в которых выбросы в принципе не возможны. Образно говоря, предлагается вести работы на безопасном расстоянии от края пропасти. Способ позволяет вести добычу шахтным способом с постоянным присутствием механизмов и людей в забое. Но при этом нужно непрерывно контролировать размеры БЗВ и при необходимости увеличивать ее известными способами.
Можно гарантированно обходиться без выбросов угля (породы) и газа, если безопасная зона выемки (БЗВ) будет поддерживаться достаточных размеров, определенных соответствующим нормативным документом. Выбросы происходили и происходят при прогнозе «безопасно» потому, что применяемые приборы выдают неверную информацию о размерах зоны разгрузки БЗВ. Приборы не должны иметь аэродинамического сопротивления, соизмеримого с сопротивлением ра-зупрочненного массива, и не должны сами вызывать изменение изме-
ряемой величины путем образования БЗВ в стенках измерительной камеры шпура-скважины.
Угольное вещество, пока оно еще не добыто, должно использоваться для наработки угольного метана с целью его промысловой добычи. Качество угля от этого не пострадает, а разбуренный угольный массив при ведении впоследствии очистных работ будет представлять собой сплошную БЗВ. В этом случае, попутная добыча угольного метана может выглядеть как опережающая промысловая, если использовать высокоэффективные способы дегазации, основанные на образовании полости вокруг скважины из подземных горных выработок или с поверхности (рис. 1).
Способы образования полости могут быть «сухими» и, что менее желательно, «мокрыми». Например, путем механического разрушения угля специальным исполнительным органом с удалением шлама при помощи эрлифта. Путем гидравлического разрушения угля струями высокого давления с удалением шлама при помощи эрлифта. Путем механо-гидравлического разрушения угля специальным исполнительным органом совмещенным с источником струи высокого давления, т.е. первыми двумя способами одновременно. Все то же, но для интенсификации процесса удаления (вымыва, извлечения и подъема) шлама используется шнек, вращающийся под действием буровой установки. Основание (тело) шнека выполнено в виде трубы и предназначено для подачи воды в забой полости. Путем инициирования специальным образом выброса угля и газа в скважину с последующим удалением продуктов выброса при помощи эрлифта.
После окончания работ по созданию полости, шнек (если он был) извлекается, вода тщательнейшим образом откачивается, устье скважины герметизируют и осуществляют промысловую добычу угольного метана. При этом никакого гидрорасчленения пласта или тому подобного воздействия на пласт не допускается (теория запрещает).
Технология без противовыбросных мероприятий и какой-либо дегазации с подземных выработок или с поверхности. Такое представляется возможным, если не предусматривать постоянное присутствие механизмов и людей в забое и вести горные работы в режиме «выброс - ликвидация последствий выброса - новый выброс». Теория позволяет, исходя из данных о размере и конфигурации зоны разупрочнения (БЗВ), планировать со 100 % гарантией выброс угля и газа, а на крутом падении выброс плюс высыпание
угля с повышенным газовыделением. Инициализация выброса производится путем удаления буферной зоны при помощи БВР (буровзрывных работ). Теория «подсказывает», как можно увеличить интенсивность ГДЯ. Например, не загромождать призабойное пространство. В момент выброса транспортировать продукты выброса как можно дальше сжатым воздухом при помощи эжекторов. С этой целью в подготовительной выработке можно дополнительно закрутить газовоздушную струю выброса при помощи размещения на стенках выработки специальных лопастей. Для подготовительной выработки, проводимой по углю, такая технология выемки угольного пласта даст увеличение скорости проходки и снижение энергетических затрат на отбойку угля. Для очистных выработок - это отказ от дорогих механизированных комплексов и конвейеров. Выемка осуществляется энергией выброса. Транспортировка полезного ископаемого в пределах добычного участка осуществляется путем модернизированного способа гидродобычи - «гидросмыва» продуктов выброса.
Технология с предварительной дегазацией неразгруженных от горного давления угольных пластов через скважины, пробуренные с дневной поверхности.
Как было показано выше (см. рисунок), безопасность ведения горных работ, в части выбросоопасности, можно обеспечить, если предварительно из подготавливаемого к выемке столба извлекать метан в промысловых количествах. При этом эффект достигаться за счет снижения способности добываемого угля генерировать газообразную компоненту.
Можно усовершенствовать известную технологию «каверно-образования» США (технологию промысловой добычи угольного метана из неразгруженных угольных пластов через скважины пробуренные с поверхности), в которой традиционно используется гидровымыв полостей, что снижает способность угля саморазру-шаться. Полость (cavity) целесообразнее всего выбуривать скважинами с горизонтальным окончанием ствола, из одной скважины - как можно больше окончаний расположенных веером. В этом случае отсутствие воды позволит сформировать газовый коллектор максимально возможных размеров. Если сухое бурение по каким либо причинам не возможно, то создавать полость в пласте следует путем инициирования специальным образом выброса угля и газа в скважину. Специальный способ автора [1] отличается от техно-
логии Института геотехнической механики Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАНУ, г.Днепропетровск) и технологии «кавитации» Московского государственного горного университета (МГГУ). Специальный способ - это бурение под избыточным давлением газа или воздуха, не допускающим рост трещин саморазрушения, и после окончания бурения скачкообразный сброс давления. Начавшийся после сброса давления на забой и стенки скважины рост трещин в них происходит в режиме с обострением и переходит в выброс угля и газа в скважину.
Выброс в скважину НГРП Московского горного института раньше в СССР считался аварией на скважине, пробуренной для, так называемого ими, направленного гидрорасчленения пластов. В настоящее время выброс, инициируемый известным способом ИГТМ НАНУ используется МГГУ (без ссылки на ИГТМ) для создания полостей вокруг скважин НГРП в Карагандинском угольном бассейне и называется технологией «кавитации». Он же, несколько раз запатентован МГГУ под разными названиями «способ дегазации». Автору известны отличительные особенности способа МГГУ, например, в параметрах динамики изменения давления рабочей жидкости, но он не может согласиться с коллегами из МГГУ и признать их особенности существенными отличиями.
Последние лет десять автором предлагается добычу угольного метана вести одновременно с сильно измельченным угольным веществом при помощи геотехнологии "Вулкан" [1]. Это экологически безопасная, безшахтная и, следовательно, практически безлюдная технология добычи и транспортировки на дневную поверхность угле-
водородного топлива исключительно за счет энергии управляемого газодинамического явления (ГДЯ). После прекращения добычи сильно измельченного угольного вещества, скважина длительное время эксплуатируется как газодобывающая за счет образовавшегося выработанного пространства.
Таким образом. Обладая СГД-технологией (технологией скважинной гидродобычи) с дневной поверхности (модернизированной технологии «кавернообразования» США), по мнению автора, правительство России вполне может последовать примеру Франции и Германии и рассматривать вопрос отказа от подземного способа добычи угля при разработке углегазовых месторождений. В тех регионах где это не возможно, например из соображений занятости населения, взрывы метана в шахтах можно прекратить путем введения на законодательном уровне запрета ведения горных работ без 1) соответствующего контроля за газовыделением, или 2) использования электрооборудования в соответствующем искровзы-вобезопасном исполнении, или 3) использования пневматической энергии вместо электрической если угледобытчикам не подходит ни первый ни второй вариант.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шестопалов А.В. Саморазрушение твердых полезных ископаемых на больших глубинах и основные противоречия с традиционными знаниями - основа геотехнологии будущего. // Горный информационно-аналитический боллетень, 2003, N8. - - С. 204-209.
— Коротко об авторах ----------------------------------------
Шестопалов А.В. - Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
