CC BY
40
УДК 550.3+622
В.Н. Опарин, В.В. Адушкин, Т.А. Киряева, В.П. Потапов
РЕГИОНАЛЬНАЯ КЛАСТЕРИЗАЦИЯ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КУЗБАССА ПО ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ. ЧАСТЬ II: ВЛИЯНИЕ ГЕОТЕРМИЧЕСКИХ,
ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ*
Аннотация. В заключительной части статьи установлены детерминированные связи в распределениях выхода летучих веществ,удельной энергии релаксации метаноносностиу-гольных пластов Кузбасса различной стадии метаморфизма и их геологического возраста. С этой целью сформированы и обработаны большие по объему информационные массивы данных геомеханической и газодинамической, геолого-структурной и иной информации, относящейся к основным объектам недропользования Кузбасса. Построенные экспериментально-теоретические зависимости позволили дать геомеханико-тектонофизическое объяснение особенностям проявления крупных газодинамических событий, а также их кластеризации для основных угольных месторождений Кузбасса по фактическим данным о техногенных катастрофах за период 1947—2010 гг. Достигнутые результаты получены впервые и имеют принципиально важное методологическое значение при построении комплексных мониторинговых систем геодинамической безопасности горнодобывающих предприятий Сибири для территориально сопряженных зон с различными видами отрабатываемых месторождений полезных ископаемых органической и неорганической природы.
Ключевые слова: угольные и рудные месторождения Кузбасса, кластеризация по газодинамической активности, удаленность от рудного узла магматических месторождений, геологический возраст и стадии метаморфизма угольных пластов, выход летучих веществ,удельная энергия релаксации метаноносности,геоинформационные банки данных, техногенные катастрофы, процессы углефикации.
Введение
В первой части настоящей статьи [1] на основе современных достижений в области нелинейнойгеомеханики и геодинамических исследований авторами сформулирована гипотеза о возможном существенном тектоно-физическом влиянии формированияв геологические периоды времени магматических (рудных) месторождений на территориально сопряженные угольные месторождения —
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-10-0-5-29
на примере формирования Алтае-Саян-ской складчатой области с ее крупными «металлогеническими узлами» Горной Шориии Хакасии, а также богатейшим по угольным месторождениям Кузнецкой котловины — одной из крупнейших межгорных впадин юга Западной Сибири.
Для количественной проверки этой фундаментальной для горных геологических исследований гипотезы, авторами использованы соответственно сформиро-
* Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 17-17-01282).
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 10. С. 5-29. © В.Н. Опарин, В.В. Адушкин, Т.А. Киряева, В.П. Потапов. 2018.
ванные информационные базы данных результатов натурных геомеханических исследований, с опорой на известные геолого-структурные монографические обобщения, необходимые для предметного анализа структурно-геологических и тектоно-магматических характеристик объектов, теоретического анализа крупнейших объектов недропользования, с особым акцентом на систематизированные сведения относительно общих горно-геологических характеристик месторождений Кузнецкого угольного бассейна. Проведенный анализ в [1] показал необходимость более детальных оценок роли горного давления и термических процессов в изучаемой «влияющей» связи, обозначенной как «геокрекинговый механизм».
О геотермических процессах
углефикации органогенно-
насыщенных осадочных
горных пород
Углефикацию органогенно-минераль-ных отложений при формировании месторождений полезных ископаемых обычно связывают с процессом изменения в геологические периоды времени их состава, строения и физико-химических свойств под влиянием повышенных температуры и давления при тектоническом погружении соответствующих участков земной коры [2-7]. В зависимости от уровня совокупного влияния основных факторов выделяют степени метаморфизма угленосных толщ — от бурых (низшая стадия) углей к каменным (средняя стадия) и до антрацитов (высшая стадия). Этот процесс сопровождается последовательным нарастанием в элементном составе углей относительной доли органического углерода и снижением содержания кислорода, водорода и азота.
Основным показателем стадии метаморфизма углей во многих странах принят коэффициент отражения витринита
(для мягких бурых углей — гуминита). С ростом степени метаморфизма, наряду с изменением отражательных оптических свойств, соответственно меняются и их механические характеристики — микротвердость, анизотропия, хрупкость, плотность, пористость, трещиноватость и др.
Следует обратить при этом особое внимание на то, что если определяющая роль температуры в метаморфических процессах признается практически всеми исследователями, то роль горного давления оценивается весьма неоднозначно — вплоть до полного ее отрицания. Существенное значение придается, тем не менее, длительности метаморфических процессов и скорости протекания геохимических реакций.
В этой связи необходимо отметить, что до сих пор остается нерешенной принципиальной значимости проблема: как можно описать количественно этот сложнейший многопараметрический «геохи-мико-термодинамический природный реактор», функционирующий циклично в тектоно-магматические эпохи развития Земли? Представляется очевидным, что это относится в первую очередь к тектонически активным горно-складчатым системам на поверхности Земли и их меж- и предгорным впадинам — крупным «депрессивным обрамлениям», функционировавшим в определенные периоды геологического времени в обводненных условиях древних океанов и морей, вероятно имевших специфическую для этих периодов времени соленость, кислотность и щелочность.
В рамках соответствующих ныне общих представлений на разноуровневые метаморфические процессы до сих пор остается открытым и не менее важный вопрос — каким образом можно количественно описать массообменные процессы между упомянутым выше «природным геомеханико-геохимическим реактором» и его вмещающими породными
массивами, опираясь на структурно-тектонические особенности их строения, физико-механические свойства, существенно меняющиеся в определенные периоды их эволюции?
Здесь лишь отметим, что спекание органогенно-насыщенных горных пород не могло не сопровождаться выделением огромных масс газов и флюидов в соответствующие тектоно-магматические эпохи из формирующихся угольных бассейнов, которые с необходимостью должны были мигрировать из этих «очагов» во вмещающие их дислоцированные породные массивы осадочно-слоистого типа и разноуровневой системой тектонических разломов и трещин (в том числе, и вдоль сопутствовавших механическим разрушениям от внедрения магматических тел — источников локального и регионального разогрева), с формированием своеобразного «тектоно-струк-турного древа миграции» для жидких и газообразных фаз спекающегося органо-генно-насыщенного геовещества. В этом отношении уместен вопрос — какова же доля этих вытесняемых «газо-жидко-стных фаз» остается в глубине породных толщ, образуя месторождения полезных ископаемых, а какая их часть выходит, соответственно трансформируясь, на поверхность Земли и в ее атмосферу (меняя их химический состав) в течение геологических периодов формирования угленосных толщ разного их марочного состава?
Несмотря на логичность такой постановки вопроса, современные геологические теории (и гипотезы) о происхождении угольных, рудных, нефтегазовых и других месторождений полезных ископаемых (даже в пределах верхних оболочек земной коры) до сих пор продолжают развиваться практически «автономно». Хотя, казалось бы, является очевидным, что геометрические, геохимические, пет-рофизические, механические характе-
ристики и топологические особенности тектонических разломов и «оперяющих» их систем трещин в стратифицированных по геомеханическим параметрам породных толщах вокруг «спекаемых» органогенно-насыщенных (и не только!) осадочных палеобассейнов должны были иметь определяющую роль в образовании их газофлюидных «ловушек» в виде месторождений полезных ископаемых соответствующей геохимической и фазовой специализации (назовем их «ветками и листьями» структурно-тектонического древа миграции геовещества от будущих угленосных месторождений).
Справедливости ради, надо отметить, что еще в начале 30-х годов минувшего века академик И.М. Губкин «осторожно» предполагал возможность перехода угленосных фаций Кузбасса в нефтеносные. Однако соответствующие геологоразведочные работы в Минусинской впадине в те времена положительных результатов, по понятным причинам, не дали [4]: в те годы геологическая изученность этого региона Сибири, равно как и за Уралом в целом, была довольно скудной. Наиболее активно геолого-разведочные работы стали вестись лишь в послевоенные годы [8]. И все же, для тем самым неявно высказанного И.М. Губкиным основного предположения о том, что какая-то связь между наличием угольных и нефтегазовых месторождений существует, как нам представляется, имеются реальные термодинамические, геомеханико-геохимические и геологические основания.
Ниже, с необходимостью кратко, отметим значимые для этого аргументы и экспериментально установленные факты, часто представляемые в «разрозненном и концептуально несвязанном между собой виде» [9—13]. В первую очередь они относятся к базовому физико-химическому процессу — углефика-ции органогенно-насыщенного геовеще-
ства. В этой связи обозначим некоторые ключевые моменты, известные из разных источников, и касающиеся особенностей формирования угольного вещества и угленосных массивов в зависимости от термодинамических условий [3, 5, 7].
Отбор авторами настоящей работы соответствующих натурных фактов в применяемом ими методологическом аспекте предполагал, что по общей картине и характеру влияния теплового поля на процесс спекания угленосных толщ региональные метаморфические процессы (в главном) аналогичны действию контактового метаморфизма углей, вызванного тепловыми, эманационными и динамическими воздействиями разогретых магматических тел на формирующиеся или уже сформированные угленосные отложения с соответствующими «качественными» по составу характеристиками.
Определенные различия могут быть обусловлены лишь размерами, уровнем исходной температуры, геохимической спецификацией магматических источников и динамико-кинематически-ми характеристиками их внедрения в породные массивы с определенными структурно-петрографическими особенностями. Естественно, чем ближе магматический источник теплового поля к «объекту воздействия», тем интенсивнее его влияние на возникающие массога-зообменные процессы.
В этом отношении длительные экспериментальные исследования на угольных месторождениях (как естественных природных «лабораториях») при их освоении позволили горнякам и геологам накопить значительный фактический материал с количественными оценками для подобного рода массо-газообмен-ных процессов в сложных геологических объектах и их геоматериалах [3, 5, 7]. Ниже приведем, в основном, прин-
ципиально значимые сведения, касающиеся именно влияния температуры на такие процессы, поскольку с геомеханических позиций роль горного давления является все-таки определяющей при формировании литотипов горных пород, структуры и топологических особенностей «древа миграции» для газо-жидких фаз вокруг тепловых источников возмущения в определенные тектоно-маг-матические циклы. Как представляется, именно с этим связана и «неоднозначность» оценки специалистами роли горного давления (вплоть до ее отрицания!) в метаморфических процессах.
Так, известны «слоевые скопления метана» при наличии в кровле выработок газоносных пластов и пропластков угля и пород. При добыче угля происходит перемешивание газовоздушных смесей вентиляционных струй и потоков выделяемых из породоугольных массивов газов: из кровли — более легких, чем воздух (метан и др.), из почвы — более тяжелых (углекислый газ и др.). По существу, этот эффект свидетельствует о градиентном типе газопроводности угольных пластов как вдоль напластований, так и в их поперечных направлениях, что должно коррелировать, очевидно, с «градиентными свойствами» полей температур и давлений, при которых сформировались известные литотипы продуктивных пластов угольного вещества (в том числе и формирование крепких углевмещающих пород).
Обычно считается, что метан в угленосных отложениях на более чем 90% находится в сорбированном состоянии, а сорбционная способность углей прямо пропорциональна «степени их углефика-ции» — содержанию фюзинита и давлению газа, но обратно пропорциональна температуре, влажности и примесных компонент. Общая пористость углей достигает 20—30%, проницаемость — менее 10 мкм2; открытая пористость при
этом не превышает 10%. Угли обладают селективной способностью по своей га-зопроводности, которая понижается в ряду: неуглеводороды, метан, этан, изо-бутан, углекислый газ, пропан, п-бутан, высокомолекулярные углеводороды. В зонах повышенной трещиноватости и разуплотнения углей, а также во вмещающих породах (!) сорбционная способность которых на два порядка меньше, чем углей, преобладает газ в «свободной форме».
Различия форм нахождения газа и жидкости обусловливают слоистые распределения рассеянных и концентрированных масс углеводородов, в т.ч. метана в разрезе угленосной толщи. При этом соотношение форм нахождения газов и жидкостей в породных толщах зависит от содержания (и распределения) органического вещества, литологических особенностей и коллекторских свойств, а также от геологических, гидрогеологических и термобарических условий их образования.
По содержанию метана в газах для разреза угленосной толщи сверху вниз выделяют следующие зоны [3]: эпигенетического газового выветривания с содержанием СН4 менее 80%, метановых газов с содержанием метана 80—98% и метаморфической деметанизации (до 10%).
• Зона газового выветривания (ЗГВ), в свою очередь, подразделяется на: азот-но-углекислую; углекисло-азотную, мета-но-азотную и азотно-метановую подзоны.
• Зона метановых газов (МЗ) в ряде бассейнов содержит подзону с повышенным содержанием тяжелых углеводородов (10—20%).
Образование зоны деметанизации (ДМ) связано с суперантрацитами (А12—14).
Метаноносность углей обычно оценивается для этих зон в м3/т: ЗГВ — 2-5; МЗ — 2-40; ДМ — менее 2.
Мощность отдельных газовых зон по вертикальному разрезу изменяется от 0
до сотен метров — в зависимости от геолого-тектонического, гидрогеологического строения, магматических проявлений и других особенностей формирования угленосных бассейнов в геологические периоды времени.
Метаноносность углей растет с увеличением мощности и угленасыщенно-сти «затухающими темпами» до глубин 1,5—1,7 км от поверхности МЗ и с увеличением степени регионального метаморфизма. Метаноносность приэтом составляет для разных марок углей, м3/т: бурых — 1-8, каменных — 4-35, антрацитов А10 — до 40% (в высокометамор-физованных она резко понижается, а в группе А12—14 становится практически «нулевой»). Для «маловосстановленных» углей их метаноносность и скорость ме-таноотдачи выше на 5—10 м3/т, чем у «восстановленных».
Литологичекий состав породных толщ, тектоничекие процессы, обводненность и магматизмв зависимости от геологического строения и от «качества» покровных отложений являются определяющими как по объемам и структурам накопления газов, так и по характеру дегазации угленосных толщ. Суть важно, что под влиянием магматических процессов газоносность угольных массивов теряет «непосредственную» зависимость от глубины залегания продуктивных пластов, нарушается отмеченная выше газовая зональность. «Первичная» метаноносность в закрытых и полузакрытых замковых частях антиклиналей обычно выше, чем в моноклиналях, а для синклиналей эта зависимость становится обратной (!).
При наличии продольных и диагональных разрывных нарушений, преобладаний во вмещающих породах (в т.ч. и покрывных отложениях) малопроницаемых или многолетнемерзлых пород газононосность угленосных толщ также повышается. В этом случае очевидна
роль литолого-структурных волноводов по проницаемости породных массивов при формировании газораспределительных процессов от магматических тел.
Во вмещающих угольные пласты отложениях метаноносность обычно менее 1—2 м3/т, но достигает 6—8 м3/т, редко — 13 м3/т в «углистых породах». Состав, объем, распределение свободных газов в угольных толщах определяются степенью и видом метаморфизма углей и вмещающих пород, количеством и составом органического вещества, тектонической нарушенностью продуктивной толщи, составом газа и газонасыщенностью подстилающих отложений, степенью «закрытости» месторождений и др.
Здесь очевидна определяющая роль давления, температуры, тектонической нарушенности как в литогенезе углей (их метаморфизма) и вмещающих пород, так и в балансе между «остаточной» и «исходной» газоносностью — выделившейся на этапах «спекания» органоген-но-насыщенных пластов на протяжении известных тектоно-магматических эпох (рис. 1).
Природная метаноносность угольных пластов зависит в основном от степени углефикации (марки) угля и глубины его залегания, достигая предельных значений: у длиннопламеных и газовых углей — 20 м3/т сухой беззольной массы, у жирных и коксующихся — 20-25 м3/т; у ото-щенных — 25-35 м3/т и у тощих углей — 35-45 м3/т.
• При метаморфизме антрацитов их метаноносность снижается от 10 до 1 м3/т. Содержание метана в пластах каменного угля возрастает до определенной глубины: предельные значения у длинно-пламенных углей это 600—800 м от поверхности метановой зоны; у газовых, жирных и коксующихся — 800-1000 м; у отощенных и тощих — 1000-1200 м.
• При средней стадии катагенеза и увеличении сапропелитовой составля-
ющей в угле в составе свободных газов увеличивается содержание тяжелых углеводородов, появляются конденсат и следы нефти (!).
• Надо особо отметить и то, что высокая нефтегазонасыщенность подстилающих отложений в сочетании с сильной дислоцированностью угленосных отложений и наличием экранирующих пород способствует образованию газовых скоплений во вмещающих породах (например, Угловский бассейн). Залежи свободных газов образуются в: положительных складчатых структурах второго-третьего порядка (брахиантиклинали, сводовые поднятия, купола и т.д.); зонах относительного растяжения массива горных пород у разрывных нарушений; при-контактовых зонах магматических тел, а в северных районах — в зонах «сухих таликов» и др. Преобладающими типами ловушек в угленосных отложениях являются: стратиграфические, литологиче-ские, структурно-тектонические, гидрогеологические и техногенные — старые выработки.
• Коллекторские свойства пород ухудшаются с увеличением степени литогенеза. Так, для аргилитов и песчаников общая пористость составляет: при слабом катагенезе (угли марки Д) — 13—20%; для марок Г — 10-13%, Ж — 7-10%, К и Т — 6-7%. Эффективная пористость этих же пород в районах развития углей марок Д и Г не превышает 5-8%, а для Ж и Т — 1,5-4%.
В угленосных толщах начальных стадий катагенеза преобладают поровые коллекторы, а для высоких стадий — трещинные.
• Как известно, марочный состав углей, согласно ГОСТу 25543-88, по всему генетическому ряду ископаемых гумусныхуглей разделен на 3 вида — бурые, каменные и антрациты. Каждый из них объединяет угли определенных марок, групп и подгрупп [14]:
- Бурому углю соответствует одна марка — Б;
- Каменному углю соответствует 15 марок — Д (длиннопламенный), ДГ (д. газовый), Г (газовый), ГЖО (г. жирный ото-щенный), ГЖ (г. жирный), Ж (жирный), КЖ (коксовый ж.), К (коксовый), КО (к. ото-щенный), КСН (к. слабоспекающийся низкотемпературный), КС (к. слабоспе-кающийся), ОС (отощенный слабоспекающийся), СС (слабоспекающийся), ТС (тощий слабоспекающийся), Т (тощий);
- Антрациту соответствует одна марка — А.
При преобразовании органического вещества расчетный выход метана составляет, м3/т: до стадии Б — 68; Д — 150; Ж — 230; К — 270; ОС — 287; Т — 333; А — 420. Общее количество метана, генерируемого углями в процессе литогенеза осадков, оценивается в 5000 трлн м3. К настоящему времени в угленосных толщах, как считается, сохранилось до 10% этого количества. Однако на самом деле не просто ответить на возникающий при этом вопрос: а где остальные 90% и какова при этом доля «флюидной составляющей»?
О большом влиянии магматических процессов и горообразования в пределах складчатых областей на одновременно формировавшиеся предгорные и межгорные впадины с органогенно насыщенными осадочно-терригенными породными толщами свидетельствует и микроэлементное содержание в углях соответствующих регионов.
Как известно [3, 14—16], металлоге-нические компоненты месторождений угля определяются геолого-геохимическими процессами при накоплении осадочных пород определенного состава. Так, в угольных месторождениях России выявлено более 50 микроэлементов, с повышенной концентрацией некоторых из них: Li, Д Sr, В^ РЬ, Zr, Se, Н^ Та, Zn, Сг — в Печерском бассейне; Ве,
Д Sr, ВК РЬ^г, Аи, Zn, Cd, Hg — в Подмосковном бассейне; Se, Ge, РЬ, Sr, Со, Мо, Re, Li, V, Y, W, Bi, Zn, Сг, РЬ — в Восточном Донбассе; Д X Yb, Zr, Nb, Rb, Sr, Li, Ве, Со, Аи, Ag, Т1, Bi — в Кузбассе; в Ленском бассейне — Sr, Nb, Re, Bi; в Раздольном бассейне — Д Cd; в Угловском бассейне — Р^ Pd; в Читинской области — Ge, W, S; на месторождениях Северо-Востока и Камчатки — Д Nb, Bi; Сахалина — Ti, Sr, Zn, Ge, W, Т1, V; Шкотовское и Хасанское — Р^ Pd; Павловское — Д Y, Бикинское — Ge, Pt. К металлоносным относятся также месторождения Кизеловского и Челябинского угольных бассейнов; в меньшей мере — угли Горловского, Иркутского, Канско-Ачинского, Минусинского, Улуг-хемского, Южно-Якутского бассейнов, а также месторождения Бурятии, Хабаровского края и Амурской области.
• В горючих сланцах можно наблюдать повышенное содержание: и, Мо, V, N — Швеция; и, V — месторождение Джулия — Крик, Австралия; V, Мо, Ag, Си — диктионемовые сланцы Эстонии; Re — Амударьинский и Кызылкумский бассейны Узбекистана; Ge — девонские сланцы в шахтах Огайо и Теннеси, США; Ве — Брезинское месторождение в Болгарии. В Волжском бассейне в локализованном виде с относительно высокими концентрациями содержатся В^ Re, Мо, Cd, V, Си;а в месторождениях горючих сланцев Республики Коми — Re, Мо, Cd, Sc, В^ Ag, Sn, Sb, Cs, Ni, Ti, V.
В настоящее время в промышленном масштабе осуществлено извлечение из углей и (гидрометаллургическим методом) и Ge (из зольных уносов энергетических углей и отходов коксохимического производства). При этом обнаружены только отдельные участки месторождений, где концентрация и и Ge достаточно высока, чтобы обеспечить экономически рентабельное их извлечение непосредственно из углей. Для
отдельных микроэлементов ^е, As, С1, Вг, Мо, Ag, Re, Bi) их содержание в углях превышает кларковые показатели.
Основные механизмы концентрирования микроэлементов обычно связываются с их накоплением в процессах торфо-угле-сланце-образования (в т.ч. и с поступлением «исходного» растительного материала-биоты). Поступления и их локализация в торфяных болотах и в пластах угля связаны также с выщелачиванием горных пород из областей сноса; поступления вулканогенного материала, а также с гидротермальными водами.
• Установлены последовательности убывания величин «коэффициента сродства обогатимости» к органическому веществу F = Со / См (Со и См — содержания микроэлемента во фракции с плотностями <1,4 и >1,6 г/см3 соответственно, т.е. с преобладанием органического и минерального веществ):
Ge > W > Ве > Nb > > (таЕ, Sr, В, Sc, Мо, Re, и) > 1 > > (ГСЕ, Sr, В, Sc, Мо, Re, и), Hg > РЬ > Zn > Сг > Мп > F. В твердых горючих полезных ископаемых представлены различные типы соединений микроэлементов. Так, в углях обнаружены «собственные минералы» TRE; самородных Ag, Аи, сплавов Си-Zn и др. Основное их количество содержится в виде изоморфных примесей в FeSz, SiOr, минералах глин, карбонатах, иногда в апатите и других минералах зо-лотообразующих элементов, а также в химически связанном виде с органическими веществами.
Многие микроэлементы могут образовывать в зоне высоких температур газообразные соединения ^е, Ga, Мо, Re, А^ As, В, РЬ, Zn, Sb, Bi, Se и др.), которые при определенных условиях конденсируются либо не конденсируются С1, F, иногда Se, Re) при понижении температуры.
В табл. 1 представлены по [3] данные о средних содержаниях микроэле-
ментов в углях разных стадий метаморфизма по странам мира. Безусловно, микроэлементный состав углей существенно богаче и содержит как ценные, так и токсичные, извлечение которых возможно гидрометаллургическим способом либо посредством сжигания углей, а также использованием отходов коксохимического производства.
В нашей стране ведутся исследования и разработки по созданию технологий извлечения микроэлементов из угленосных отложений, содержащих драгоценные и редкоземельные металлы, ^ и и. Так, для угольных пластов Кузнецкого бассейна определены «коммерческие объекты» и установлены пространственные связи микроэлементов в десяти ассоциациях: La-Au, Sm-Th, ТЬ^Ь, Lu-Hf, Та, и^Ь, Н и др. Оценены ресурсы X RЗЭ и радионуклидов в промышленных районах ^-154131 т, РЗЭ — 491571 т, ТГ1 + и — 52719 т и др.).
Важную роль в формировании кол-лекторских и проницаемых свойств углей, лежащих в основе массообменных процессов угленосных толщ различной стадии их метаморфизма, играют внутренняя структура и топологические особенности геовещества, которые проявляются на различных иерархических уровнях. В частности, в миллиметровом диапазоне, согласно ГОСТу 19242-73, классы углей разного марочного состава (в скобках) можно охарактеризовать их «кусковатостью» (в мм):
Плитный (П) — 100-200 (300);
Крупный (К) — 50-100;
Орех (О) — 25-50;
Мелкий (М) — 13-25;
Семечко (С) — 6-13;
Штыб (Ш) — 0-6;
Рядовой (Р) — 0-200 (300).
Этот диапазон структурных отдельно-стей весьма важен и для описания недавно открытого «поршневого механизма» возникновения нелинейных мас-
Таблица 1
Средние содержания микроэлементов в углях, г/т по [3] Average content of microelements in coal, g/t (according to [3])
Бассейн, страна As Be Cl Со Сг Си F Hg Mn Ni Pb Sr Th V Zn
Все угли земного шара: (1) каменные и антрациты 20 2,1 _ 5,2 16 18,5 _ 0,5* 95 16 25 76 3,5 31 22
(2) бурые угли 14 2,4 - 3,4 12 7,5 - 0,1 100 8 2,5* 130 6,3 23 18
США 24 2,2 614 6,1 15 16 98 0,17 43 14 11 - 3,2 22 53
Все страны СНГ 25 2,1(1) - 5 18 10 - 0,05* 150 10 15 80(1) - 30 35
Кузнецкий (РФ) «« 0,9 - 3 2 2,4 - 0,03 «« 6 5 - - 8 13
Печерский (РФ) 9 1,5 - 6 16 5,6 - - 64 17 9 - - 28 16
Канско-Ачинский (РФ) 5 0,8 - 2 1 3,9 - 0,1 40 6 2 120 - 6 33
Экибазтузский (Казахстан) «« 1,8 - 2 «« 22 - 0,01 470 11 14 - - 48 181
Карагандинский (Казахстан) 6 1,7 - 2 3 37 - 0,01 63 17 4 - - 26 37
Донецкий (Украина) 80 3 - 7 15 10 - 0,02 «« 20 10 - - 30 -
Львовско-Волынский (Украина) 15 2 - 6 8 24 - 0,01 60 9 10 - - 25 1
Осадочные породы земного шара (кларк) 11 3,4 _ 15 78 37 _ 0,33* 740 56 17,5 270 9,9 110 79
Примечание: * — неточное значение; " — нет данных
со-флюидо-газообменных процессов в геосредах с медленными осциллирующими движениями структурных отдель-ностей геовещества [17].
Количественные оценки, относящиеся к собственно тепловому влиянию магматических тел при внедрении их в угленосные пласты на примере «контактового метаморфизма». Как известно [3], «контактовые угли» обладают пониженным блеском, серыми оттенками черного цвета, повышенной пористостью и сходны с продуктами термической переработки углей: природный кокс, графит, сажистый и антрацитовый уголь. В зонах сопряжения с магматическими телами угли характеризуются повышенной влажностью, пониженной теплотой сгорания, более высокой плотностью, полным отсутствием спекаемости и коксуемости, с резко повышенной зольностью. Угли контактового ряда (от Д до А) претерпевают максимальные изменения в буроугольных региональных зонах и минимальные — в антрацитовых. Контактовые преобразования накладываются на «фоновые» — региональный и термальный метаморфизм, характерный для всех типов угленосных формаций (кроме древних малоподвижных платформ).
Для отдельных бассейнов и современных горно-складчатых областей (Партизанский, Таймырский, Омсукчанский, Сахалинский и др.) и на активизированных платформах (Тунгусский бассейн) контактовый метаморфизм является существенным фактором образования и распределения углей различного состава в разрезе и на площади. Изменение физико-химических свойств углей происходит в непосредственной близости от интрузий или экструзий магм (силлов, даек и др.) — в зоне, не превышающей десятков метров.
У контакта с интрузией нередко наблюдается ококсование и графитизация угля. При этом температуры образова-
ния углей контактового ряда (марок) составляют, °С:
Д, Г, Ж — менее 300;
К — 350-430;
О — 430-480;
Т — 480-600;
А — 600-750;
природный кокс — 600-800;
графит — 1000.
Во вмещающих породах экзо- и эн-доконтакта с интрузией имеют место механические деформации и уплотнение; реже — сланцеватость, плойчатость и будинаж, образование прожилков, жил и даек. При этом интрузивное давление является необходимым условием для преобразования вещества углей в графиты. Длительность контактового метаморфизма углей оценивается в десятки-сотни лет, а для крупных зон — тысячи лет; время кристаллизации магматических пород — сотни тыс. лет; время максимального прогрева внешней зоны — десятки тыс. лет (например, время остывания силла долеритов при мощности 70 м — 10 тыс. лет, 200 м — 20 тыс. лет).
Интенсивность влияния интрузии на уголь зависит от мощности и состава магматических тел (магма кислого состава имеет более высокую температуру, чем основного состава), а также степени изменения регионального метаморфизма углей. Зона контактового действия интрузий, внедрившихся в угленосную формацию, определяется по изменениям углей и в 2—4 раза больше размеров, определяемых по минеральным индикаторам: хлориту, амфибол-роговикам, пироксен-роговикам и др. Превышение размеров таких зон снижается: от максимальных — в углях марк. Д к минимальным — в углях марок Т и А; в зоне высоких антрацитов размеры контактовых ореолов по углям и вмещающим породам практически совпадают.
Наблюдается зональность [3] в зависимости от расстояния между интрузией и угольным пластом (табл. 2).
Таблица 2
Зональность контактового метаморфизма углей Zonality of contact metamorphism of coal
Степень контактового метаморфизма угля МАРКА УГЛЕЙ
А Т ОС К Ж Г
Расстояние от интрузии, % от ее мощности <30 30-50 50-100 100-200 120-150 >150
Граница существенного влияния на угли температурного ореола интрузии равна ее полуторной мощности. В зоне влияния интрузии по сравнению с изо-лятоморфными углями регионального ряда снижается теплота сгорания, растет зональность (за счет тонких прожилков изверженных пород) и сернистость (за счет гидротермального пирита).
Таким образом, с учетом данных табл. 2 и основного марочного состава углей Кузнецкого угольного бассейна, можно ожидать, что зона их «спекания» от интрузивно-эффузивной области (кластер железорудных месторождений Горной Шории и Хакасии), как источника разогрева, может быть оценена по своим размерам масштабами в первые сотни километров. Ниже покажем, что кластер металлогенических (рудных) месторождений Горной Шории и Хакасии вполне могут отвечать этим требованиям.
Распределения выхода летучих веществ и удельной энергии релаксации метаноностности угольных месторождений Кузбасса в зависимости от расстояния до Таштагола и возраста угленосных толщ
В данном разделе основное внимание будет уделено области сопряжения на юге Западной Сибири (Кузбасс) — для кластеров угольных (Кузнецкий угольный бассейн) и рудных месторождений, входящих в зону термодинамического влияния Алтае-Саянской складчатой области. Выбор кластера железорудных месторождений обусловлен их «крупно-
стью» по запасам полезных ископаемых и непосредственной принадлежностью к этой складчатой области: Горной Шории — к одному из ее отрогов (анти-клинарий в зоне глубинных разломов с Кондомской и Темир-Тельбеской группой месторождений — Кавказское, Таш-тагольское, Шерегешское и др.); а также Хакасии — северному отрогу Западного Саяна (Абаканское месторождение и др.). Диаметр круговой области выхода железорудных и полиметаллических тел на поверхность Земли с кластером магматических месторождений оценивается примерно в 300 км.
В этой связи особо отметим, что размеры зоны и длительность процесса контактового действия разогретых интрузий на органогенно-насыщенные пласты (в т.ч. и будущие угленосные формации) зависят от их размеров и начальной температуры (а для углей — их марочного состава). Так, по размерам зоны влияния составляют, оценочно, от 1,5 до 4 радиусов поперечных сечений магматических тел (табл. 2); время остывания зависит от состава магматического вещества, температуры, размеров интрузивных и эффузивных тел и может оцениваться от десятков-сотен лет (мелкие тела) до сотен тысяч лет (отдельные крупные тела). Например, для ранее разогретых магма-тогенных областей радиусом в 150 км, область их влияния на термо-метамор-фические процессы «осадочного обрамления» может достигать радиуса от ~170 до 600 км.
Следовательно, это не может не сказаться на качественном составе угленос-
ных толщ и характере газодинамических проявлений при их отработке.
Далее более детально рассмотрим отмеченные факторы влияния на примере сопряженных металлогенного «рудного узла» и его «угольного обрамления» на южной окраине Сибирской платформы в геомеханико-геодинамическом аспекте с географической привязкой к Ташта-гольскому железорудному месторождению — крупнейшему из рассматриваемого рудного узла. Мотивы для такого выбора «начала системы координат» отмечены выше, однако в данном аспекте — применительно к кластеру железорудных месторождений — это не принципиально.
Как известно, перспективы подземной разработки газоносных угольных месторождений и технико-экономические показатели работы шахт в значительной мере определяются горно-геологическими особенностями месторождений, физико-механическими и физико-химическими свойствами, структурой геоматериалов. Ритмичная и эффективная работа горного предприятия зависит от надежности геомеханических прогнозов и природных условий отрабатываемых месторождений, включая и достоверность оценок газодинамической активности угольных пластов.
Для создания научно обоснованного методического обеспечения горнотехнологических оценок и проектных решений современного уровня необходима разработка методов количественного определения газодинамической активности пластов, обеспечивающих единство подхода к анализу возможной динамики реализации энергии содержащихся в угле газов. Методологическая основа для построения региональных геомеханико-геодинамических прогнозов, как представляется, может строиться на новом взгляде на эволюцию Земли — с позиций «осцилляционной геоди-
намики» [18], с учетом существования крупных тектоно-магматических эпох, где важная роль принадлежит «геокрекинговому» механизму формирования месторождений «углеводородного ряда» (нефть, газ, разномарочные угли, ас-фальтены.....вплоть до графита).
В рамках этой гипотезы «углеводородный ряд» месторождений должен быть сопряжен с крупными магматическими телами (месторождениями) в виде структурно-тектонического «древа миграции и фракционирования» газообразных, жидких и твердых форм углеводородов. Оно формируется в условиях деформирования и разогрева магмой органоген-но-насыщенных слоев осадочных пород при практически полном отсутствии или существенной ограниченности доступа атмосферного кислорода в термодинамически и геохимически активную зону сложнейшего природного «реактора». Это — зона влияния внедряющихся из глубины Земли магматических тел.
Жидкие и газообразные фазовые составляющие породы по мере остывания магматических тел должны проникать и в продуктивные толщи сопряженных с ними будущих месторождений полезных ископаемых углеводородного ряда, создавая геохимически примесный фон, трендовоослабевающий с расстоянием от источника разогрева породных толщ. Эта гипотеза, как будет показано ниже, имеет для своей проверки достаточно обширный информационный банк геологических, геохимических, геотектонических и иных данных.
Ранее в информационной основе методов оценки газодинамической опасности углеметановых пластов, разработанных в [19], были заложены как геологоразведочные данные (глубина залегания пласта, метаноносность, выход летучих веществ, петрографический состав, влажность, зольность), так и определяемые ими показатели (например, сорбционной
Рис. 1. Изменение метаноносности углеметановых пластов Кузбасса с глубиной их залегания: кольчугинской серии (а), балахонской серии (б)
Fig. 1. Variation in methane content of Kuzbass coal seams with depth of occurrence: (a) Kolchugino series, (b) Balakhon series
способности угля по отношению к метану). Общий недостаток этих методов — качественный характер получаемых оценок. В то же время, рассматривая газодинамическую реакцию угольного пласта на технологическое воздействие как следствие реализации энергетического потенциала двухкомпонентной геосреды при смене метастабильных состояний, можно решать задачи количественной градации газодинамической активности углеметанового пласта. Для этих исследований в [19] была использована электронная база геологоразведочных данных по 15 600 пластопересечениям 11 месторождений Кузбасса. Диапазоны изменения приводимых здесь значений по аналитической влажности (М), пористости (П), выхода летучих (Уа0 и глубине залегания угольных пластов (Н) бассейна достаточно полно охватывают свойства каменных углей: 0,7% < М < < 9%, 1,3% < П < 30%, 7% < ^ < 45%, 30 м < Н < 1050 м.
Вся выборка экспериментальных данных по Кузбассу была разделена на под-серии и свиты. Для каждой из них определялись границы только максимальных для соответствующей глубины значений
метаноносности (рис. 1). Согласно [20], графики границ метаноносности можно также аппроксимировать уравнением Ленгмюра, как и для метаноемкости, выразив напряжения горных пород Э через глубину залегания угольного пласта:
X = ABS / (1 + BS),
(1)
где Х — максимальная метаноносность пласта, м3/т; А — предельная метано-носность, при данном выходе летучих веществ, м3/т; В — коэффициент мета-ноносности при данном выходе летучих веществ, 1/МПа; Э = 0,025 Н, МПа; Н — глубина залегания пласта, м.
Методом рандомизации для всех угленосных свит Кузбасса были получены значения эмпирических коэффициентов А и В уравнения Ленгмюра (1) и найдена их связь со средним значением выхода летучих веществ УЛз1 на глубине 100 м для свит Кузнецкого бассейна:
А = -0,1017(^)2 + 4,979^ + + 11,043, м3Л;
В = 0,00019(Уа02 — 0,0097^ +
+ 0,174, 1 / МПа, (2)
где УЛз1 — среднее значение выхода летучих веществ на глубине 100 м, %.
Параметры А и В, следовательно, являются функциями выхода летучих веществ, учитывая марочный состав углей.
Полученные в [21] результаты позволили обосновать новый подход к выбору показателя энергетического потенциала двухкомпонентной среды при смене ме-тастабильных состояний в дислокационных моделях процессов, возникающих, например, за фронтом волны разгрузки продуктивного пласта от механических напряжений при очередном перемещении груди забоя горной выработки.
Метаноносность характеризует объем метана, который содержится в единице массы или объема угольных пород в естественных условиях, нетронутых ведением очистных работ. Как известно, произведение объема на соответствующее давление характеризует внутреннюю энергию газа метаноугольного пласта. Такую характеристику можно получить пользуясь уравнением (1) с учетом (2). Для пояснения применяемого метода, опираясь на общие положения теории устойчивости и понятие бифуркаций [21], проанализируем основные особенности изотермы Ленгмюра для метаноносности Х угольных пластов Кузбасса (рис. 2) в зависимости от гидростатического давления газов угольного пласта Р (Р = 0,01Н).
На рис. 2 через А обозначено предельное значение метаноносности уголь-
ных пластов для каждой подсерии, которое является асимптотическим для соответствующей изотермы. К изотерме Ленгмюра проведена касательная ОЫ через точку Р = 0. Угол ее наклона ф определяет значение коэффициента ме-таноносности В, который характеризует также и градиент давления газа в соответствующей «точке» угольного пласта.
Абсцисса точки пересечения значений предельной метаноносности А и касательной ОЫ к графику функции при Р = = 0 отвечает величине метаноносности равной половине ее предельного значения А/2. Отвечающая этой точке ордината на графике функции Ленгмюра определяет емкость релаксации (Срел) выведенной из термо-механического равновесия системы «уголь-метан»:
С = А / 2, м3/ т.
рел
(3)
Согласующееся изменение давления газа определяет второй параметр — давление релаксации (Р
P =
рел
рел
A
dX
dp P=0
МПа.
(4)
Их произведение определяет энергетический показатель системы «углеме-тан» (Е), как площадь треугольника KNM. Он определяет состояние углеметана при переходе его из одного метастабильного состояния в другое при изменении ме-
X, м3/т
15
10
А/2
SI
К jyS' M
' ь...............-
1
3 Р, МПа 4
Рис. 2. Типичная изотерма Ленгмюра для метаноносности угольных пластов Кузбасса Fig. 2. Representative Langmuir isotherm for Kuzbass coal methane content
о
30 25 20 15 10
О
! ' JLl / Выбросоопасная глубина, Н, м ---------- 250
-------------150 юп
> 1 / A 1 ^
.5ZU
s s / / Jr Ж'
более 700 Q, см3/г
✓ dr /у
r , аоЖ V2
Подсернн
Ннжнебалахонская Верхнебалахонская
Ильинская Ерунаковская
Серии: д Кольчупшская: О Балахонская
5 10 15 20
Рис. 3. Изменения показателей сорбционной метаноемкости углей и выбросоопасность пластов Кузбасса: а0 — предельная сорбционная метаноемкость при атмосферном давлении; акр — критическое значение предельной сорбционной метаноемкости; — градиенты устойчивого изменения сорбционной способности (по [19])
Fig. 3. Change in methane sorption capacity and outburst hazard of coal seams in Kuzbass: а—limit methane sorption capacity under atmospheric pressure; аcr—critical limit methane sorption capacity; у, у—gradients of stable change in sorption capacity (according to [19])
таноносности в 2 раза. Этой энергетической характеристике дано название удельной энергии релаксации метано-носности. В [19] были определены ее значения (кДж/кг):
Е = 0,25А/В. (5)
Оценка Е выполнялась по предельным значениям метаноносности угольного пласта, когда ее величина определяется только растворенным метаном, а содержание других его фазовых состояний считалось пренебрежимо малым.
Особенности эмпирических зависимостей поведения метаноемкости уголь-
200
d
СО
О
150
ш 100
ных образцов, учитывающей метан в свободном и сорбированном состоянии, экспериментально также установлены ранее в [19]. На рис. 3 представлен график изменения начальной интенсивности сорбционной метаноемкости (первая производная уравнения Ленгмюра при Р = 0) с ростом предельной сорбционной метаноемкости каменных углей.
В правой части рис. 3 представлены сведения о минимальных значениях выб-росоопасных глубин, полученные на основании опыта разработки 15 месторождений Кузбасса. Интервалу бифуркации соответствуют свойства углей геоло-
# Ильинская подсерия ■ Верхнебалахонская
подсерия с Нижнебалахонская
подсерия л Ерунаковская подсерия
О 10 20 30 40 Vdaf, %
Рис. 4. Изменение удельной энергии релаксации метаноносности углей для подсерий Кузбасса [19] Fig. 4. Change in specific methane relaxation energy in coal sub-series in Kuzbass [19]
гических структур, включающих пласты, опасные по внезапным выбросам угля и газа. Наибольшая газодинамическая активность пластов наблюдается при смене градиентов в точке бифуркации. В этих условиях горной практикой установлено снижение выбросоопасной глубины подземных горных работ до 150 м. Вне интервала смены градиентов устойчивых изменений параметров сорбци-онной метаноемкости выбросоопасная глубина в 2 и более раз больше.
На рис. 4 приведена зависимость удельной энергии релаксации метано-носности, которая имеет максимальные значения ~180 кДж/кг на интервале выхода летучих веществ 18—25%, что соответствует средней — наиболее выбросоопасной — стадии метаморфизма углей. Если привлечь данные, полученные в [22] о бифуркации параметров сорбци-онной метаноемкости для этого интервала свойств (рис. 3), то можно заключить, что максимальному энергетическому потенциалу пластов соответствует крайняя неустойчивость сорбционного потенциала углей. То есть, при сравнительно небольшом градиенте изменения выхода летучих веществ Vdaf в направлении к обнаженной поверхности разрабатываемого угольного пласта, его разгрузка от горного давления с последующим распадом углеметанового вещества в массиве способна спровоцировать саморазрушение угля в режиме «домино» или цепной реакции.
Из графика рис. 3 видно, что не только имеет место разделение стратиграфических структур Кузбасса по сериям согласно их газодинамической активности, но и происходит явное выделение наиболее опасной — нижнебалахонской подсерии.
В то же время отдельные свиты кольчу-гинской серии на некоторых ее участках также способны вызывать затруднения при ведении горных работ. Уровень газо-
динамической активности пластов верх-небалахонской подсерии остается примерно одинаковым, несмотря на существенно различный выход летучих веществ. Ее пласты расположены по обе стороны от максимума, но его не достигают.
Полученные результаты можно объяснить следующим образом. При отсутствии внешних воздействий на газоносный пласт, вещество угля в природных условиях практически стабильно: преобразования его структуры идут достаточно медленно, а в массопереносе преобладают диффузионные процессы. В зоне обнажения угольного пласта в выработке из-за перераспределения горного давления образуется нарушенная зона как в результате механической деструкции, так и вследствие сопутствующего изменения физических и физико-химических свойств угля.
В [23—25] установлено, что при необратимых процессах, происходящих на микроструктурном уровне, в угле возникают поля напряжений и деформаций, энергия которых реализуется в виде локальных фазовых переходов. При этом преобразование угольного вещества под воздействием горных работ происходит на двух уровнях организации [26, 27]:
• макроскопическом — перераспределения напряжений в окрестности выработки;
• микроскопическом — изменения состава угольного вещества, его структуры, пористости и, как следствие, возникновения в угле новых поверхностей, тепловых эффектов и др.
При анализе свойств метастабиль-ной геомеханической системы важнейшим этапом является выявление критического состояния, формы существования и взаимодействия метана с углем.
В течение длительного геологического периода под воздействием повышенных напряжений, образовавшийся в углеме-тан (задерживающийся в микропорах
благодаря абсорбции) переходит в состояние с более плотной упаковкой длительного пребывания в напряженном состоянии: произошла переупаковка в метастабильное состояние. Из такого состояния «углеметановая смесь» всегда стремится перейти в более низкоэнергетическое состояние. Однако, для этого необходимо преодолеть некоторый энергетический барьер. Если он достаточно высок по сравнению с энергией теплового движения, то состояние с большим запасом свободной энергии может оказаться устойчивым в течение некоторого промежутка времени.
Перед внезапным выбросом в угольных пластах обычно отсутствует большое количество свободного газа. Неустойчивое состояние геомеханической системы «уголь-метан» перед внезапным выбросом можно сравнить с «перегретым» состоянием жидкости. Такая жидкость является метастабильным состоянием для системы «жидкость-пар». При кипении жидкости образуются газовые пузыри, большая часть которых обусловлена присутствием их зародышей. Однако, под высоким давлением газы будут растворяться в воде, которую после снижения давления до атмосферного можно нагреть до 200°С без вскипания. Лишь очень резкие механические удары о стенки сосуда способны вызывать «взрывное» образование пузырей в такой воде [28].
Геомеханическая система «метан— уголь» близка по своей структуре к метановому раствору, который может находиться подобно «перегретой жидкости» или перенасыщенному раствору в ме-тастабильном состоянии в натурных условиях угольных пластов. При наличии в пласте выбросоопасной зоны, разрушение горными работами участка из малопроницаемого угля способно привести к «скачкообразному» смещению вмещающих пород с последующим резким из-
менением энергетического состояния системы «уголь-метан» сорбированного метана. Избыток упругой энергии переходит при этом в кинетическую энергию структурных отдельностей системы «метан-уголь», производя работу по измельчению и выносу угля [28].
Проведенный выше анализ энергетического изменения состояния угольного вещества в выбросоопасных продуктивных пластах касается как широкого диапазона глубин их залегания (а значит, и горного давления), так и марочного состава углей (а значит, и степени их метаморфизма), учитывает вещественный состав «исходных» органогенно-на-сыщенных пластов и баро-термальные условия их физико-химических превращений в соответствующий период геологического времени. Однако, говоря о внезапных выбросах угля и газа при отработке угольных месторождений, а также проявлении пожароопасных ситуаций, всегда возникает главный вопрос — о механизмах их подготовки и протекания во времени и пространстве. Хотя, вероятно, исследователям и представляется несомненной большая роль механизмов трансформации «избыточной» упругой энергии от горного давления в заданном поле температур в кинетическую энергию движения структурных отдельностей в многофазных геосредах [28]. Как отмечено в [29], на самом деле пожаро- и выбросоопасность угольных пластов — следствие единого геоме-ханико-термодинамического и физико-химического процесса, происходящего в угольных пластах при их отработке. В определенном смысле он должен быть квазиобратимым к тем энергомассооб-менным процессам, что испытали исходные органогенно-насыщенные осадочные отложения в геологический отрезок времени их формирования по стадиям метаморфизма. С этих позиций рис. 3 и 4 содержат информацию о гео-
динамических, термодинамических и физико-химических условиях формирования угольных пластов для конкретных угольных районов Земли. «Квазиобратимость» трансформации накопленной в угленосных отложениях энергии в «геокрекинговой модели» предполагает, что ее основными составляющими являются: лучистая — солярная энергия, аккумулированная в процессе формирования органического вещества; тепловая энергия «спекания» органогенно насыщенных пластов и потенциальная энергия их погружения на заданные глубины в соответствующие тектоно-магматиче-ские эпохи образования угольных месторождений (более обще — месторождений углеводородного ряда). В таком случае, как отмечалось выше, должна существовать региональная «горизонтальная компонента», отражающая закономерность геодинамического и температурного влияния кластера железорудных месторождений Кузбасса на состояние и свойства сопряженного с ним угольного бассейна.
Для количественной проверки этой гипотезы была использована указанная в [1] электронная база геологоразведочных данных по 15 600 пластопере-сечениям 11 месторождений Кузбасса, охватывающая все стратиграфические структуры бассейна. Для каждого угольного месторождения была найдена за-
висимость выхода летучих веществ от глубины залегания угольного пласта и, для единообразия обработки данных, определен выход летучих веществ на глубине 100 м. Обработанные таким образом данные, распределенные по шахтам и районам Кемеровской области, приведены в табл. 3. Геологический возраст каменноугольных отложений приведен согласно [30].
Данные о распределении выхода летучих веществ, геологического возраста и удельной энергии релаксации метано-носности для угольных пластов месторождений Кузбасса в зависимости от расстояния до Таштагола в графическом виде приведены на рис. 5 и 6.
Как видно из структуры приведенных здесь графиков, имеем высокую корреляционную связь изучаемых параметров по расстоянию от кластера магматических месторождений с выбросоопас-ностью основных стратиграфических структур его угольного «обрамления»: на рис. 5, а на вершине параболы группируются сравнительно молодые бурые угли кольчугинской серии (рис. 5, б) с выходом летучих веществ ~48—43% и имеющих минимальную удельную энергию релаксации метаноносности (рис. 6). Выбросоопасность этих угольных пластов минимальна.
Ветви параболы соответствуют средней стадии метаморфизма углей. Здесь
Рис. 5. Распределение выхода летучих веществ (а) и геологического возраста (б) для угольных
пластов месторождений Кузбасса в зависимости от расстояния от Таштагола
Fig. 5. Volatile yield (a) and geological age (b) of coal seams in Kuzbass as function of distance from Tash-
tagol
Таблица 3
Стратиграфические структуры шахт Кузнецкого угольного бассейна Stratigraphie structures in mines in the Kuznetsk Coal Basin
№ шахты Район Кузбасса Месторождение Подсерия Свиты пластов шахты V08* 100, % Возраст свит, млн лет Расстояние от Ташта-гола, км
1 Кондомский Алардинское Верхнебалахонская Кемеровская, Ишановская, Промежуточная 13,1 275,4 83
2 Томь-Усинский Ольжерасское Верхнебалахонская Усятская, Кемеровская, Ишановская 22,7 273,5 105
3 Томь-Усинский Ольжерасское Верхнебалахонская Усятская, Кемеровская, Ишановская 21,3 273,5 106
4 Кемеровский Берёзово-Бирюлинское Верхнебалахонская, Н ижнебалахонская Промежуточная, Алыкаевская 31,0 307,0 333
5 Кемеровский Берёзово-Бирюлинское Н ижнебалахонская Алыкаевская 23,0 307,0 354
6 Прокопьевско-Киселевский Киселёвское Верхнебалахонская Усятская, Кемеровская 30,4 271,0 153
7 Анжерский Анжерское Н ижнебалахонская Алыкаевская 16,0 307,0 393
8 Кемеровский Кедровско-Крохалёвское Верхнебалахонская Кемеровская 31,9 270,6 336
9 Томь-Усинский Распадское Ерунаковская, Ильинская Ленинская, Казанково-маркинская 35,8 269,9 111
10 Осиниковский Шелканское Ильинская Казанково-маркинская 35,6 270,6 105
11 Осинниковский Алардинское Верхнебалахонская Кемеровская, Ишановская, Промежуточная 12,6 275,6 80
12 Беловский Чертинское Ильинская Казанково-маркинская 38,6 268,9 214
13 Байдаевский Байдаевское Ерунаковская, Ильинская Ленинская, Ускатская 38,7 268,0 118
14 Байдаевский Байдаевское Ерунаковская, Ильинская Ленинская, Ускатская 39,3 268,0 118
15 Ерунаковский Соколовское Ерунаковская Ленинская 40,6 265,8 171
16 Ленинский Ленинское Ерунаковская, Ильинская Ленинская, Ускатская 41,1 268,0 238
17 Ленинский Ленинское Ерунаковская, Ильинская Ленинская, Ускатская 40,9 263,0 236
18 Ленинский Ленинское Ерунаковская Грамотеинская, Ленинская 43,0 260,4 229
19 Ленинский Егозово-Красноярское Ерунаковское Грамотеинская, Ленинская 42,2 263,0 244
20 Кемеровский Кемеровское Верхнебалахонская Кемероская 24,6 271,0 307
21 Кемеровский Кемеровское Н ижнебалахонская Промежуточная 18,9 276,0 318
200
150
100
50
E, кД» v/КГ y = 0 0039x2 R2 - 1,6308x + 252,49 = 0,4439
■ ■ ч 3 ■ ■ ■ / / m
1 ■ I Sm 1
2 ■ ■ ■
Районы:
1
- Кемеровский, Анжерский
- Беловский, Ленинский, Ерунаковский, Байдаевский
- Кондомский Томь-Усинский Осинниковский
50
100
350
400
L, КМ
150 200 250 300 Расстояние от Таштагола
Рис. 6. Значения удельной энергии релаксации метаноносности угольных пластов Кузбасса в зависимости от расстояния от Таштагола
Fig. 6. Specific methane relaxation energy of coal seams in Kuzbass as function of distance from Tashtagol
расположены наиболее выбросоопас-ные угольные пласты балахонской серии, причем на расстоянии около ~300— 400 км от Таштагола залегают угольные пласты наиболее выбросооопасной и
«старой» по геологическому возрасту нижнебалахонской подсерии.
Угольные пласты, расположенные на расстоянии до ~150 км от Таштагола, также выбросоопасны. Это угли кольчу-
Таблица 4
Газодинамические явления на угольных месторождениях Кузбасса с 1947 по 2010 гг. Gas-dynamic phenomena in coal fields in Kuzbass from 1947 to 2010
№ района по рис. 10 Месторождение Шахта Всего газодинамических проявлений на 01.01.2010 г.
1 Анжерское Судженская 25
Анжерская 15
Березово-Бирюлинское Первомайская 33
Бирюлинская 10
Березовская 12
Кемеровское Северная 112
Ягуновская 27
Итого по 1 району 219
2 Чертинское 31
Байдаевское 13
Кемеровское 26
Итого по 2 району 70
3 Ольжерасское 10
Распадское 1
Щелканское 2
Киселевское 13
Прокопьевское 86
Итого по 3 району 113
гинской и балахонской серий, но менее «старых» относительноильинской и верх-небалахонской подсерий (рис. 5, б).
В соответствии с рис. 6, все районы Кузнецкого угольного бассейна можно разделить на 3 группы.
Первая группа — это наиболее удаленные от Таштагола районы Кемеровский и Анжерский, имеющие максимальную удельную энергию релаксации метаноносности ~130—180 кДж/кг. На этих территориях находились в середине и конце прошлого века (1947—1990) ныне закрытые и самые выбросоопас-ные шахты Кузбасса (табл. 4). Количество газодинамических явлений (ГДЯ)в них достигло 219 случаев.
Вторая группа — это районы, имеющие минимальную удельную энергию релаксации метаноносности (~50—80 кДж/кг). В настоящее время здесь сосредоточены все основные работающие шахты. Число ГДЯ на этих шахтах минимальное (70) из 3-х групп районов и в основном происходили в 70—90-х годах прошлого века.
Третья группа — это близлежащие к Таштаголу районы. Расположенные здесь шахты также имеют высокую удельную энергию релаксации метаноносности (~100—140 кДж/кг), однако 2 из них в Томь-Усинском районе имеют эту энергию порядка 180 кДж/кг. Количество газодинамических явлений на шахтах этого района хотя и существенно меньше (113), чем на шахтах первой группы районов, но это были наиболее крупные аварии на шахтах Кузбасса (с количеством погибших 5 и более человек) [31]: ш. Ульяновская — 110 чел., Юбилейная — 39 чел., Распадская — 91 чел.
Распределения выхода летучих веществ (и марок угля) также имеют свои особенности, коррелирующие с графиками рис. 5 и 6. Ерунаковская и Верхне-балахонская подсерии являются более «молодыми» по геологическому возрасту. Несмотря на то, что они принадле-
жат разным сериям (Кольчугинской и Балахонской), тем не менее выход летучих веществ у них трендово увеличивается с глубиной. Для более же «старых» по геологическому возрасту Ильинской и Нижнебалахонской подсерий, выход летучих веществ с глубиной трендово уменьшается. Аналогичная зависимость имеет место и для всего Кузнецкого угольного бассейна в целом, хотя и с минимальной величиной достоверности выбранной линейной аппроксимации, что с позиций структуры графиков рис. 5 и 6 объяснимо:адсорбционная способность ископаемых углей существенно меняется с изменением горно-геологических условий их залегания и зависит от степени их термо-метаморфизма.
Выводы
Таким образом, выдвинутая в [18] гипотеза о возможном существовании всеобщего «геокрекингового механизма» формирования месторождений углеводородного ряда имеет под собой определенные геомеханико-геодинамические и тектонофизические основания.
В последние годы в обсуждаемом направлении фундаментальных исследований достигнут ряд важных результатов, что в равной мере относится и к исследованиям, связанным с изучением и описанием механизмов накопления потенциальной упругой энергии в массивах горных пород и ее трансформации в кинетическую энергию разноуровневых структурных элементов, слагающих эти массивы. Это чрезвычайно трудная и необыкновенно интересная проблема нелинейной геомеханики [32]. Практическую значимость ее решения трудно переоценить не только с позиций создания теоретических основ безопасного освоения недр Земли на больших глубинах, но и для разработки принципиально новых геоинформационных и мониторинговых систем, опирающихся на
фундаментальные знания о механизмах протекания сложных массообменных процессов в многофазных сильно напряженных геосредах. В настоящей статье приведены экспериментально-теоретические доказательства существенного
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
влияния кластеров магматических месторождений Горной Шории и Хакасии на геомеханическоеи газодинамическое состояние обрамляющих их месторождений Кузнецкого угольного бассейна юга Западной Сибири.
1. Опарин В. Н., Адушкин В. В., Киряева Т.А., Потапов В. П.Региональная кластеризация угольных месторождений Кузбасса по газодинамической активности. Часть I: геомеханические, структурно-геологические и тектонофизические основы // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — № 9. — С. 5—24.
2. Большая Российская Энциклопедия: в 30 томах. Т. 16. — М.: Изд-во «Большая Российская энциклопедия», 2010. — С. 256—257.
3. Российская угольная энциклопедия: В 3-х томах. Т. 2. — М.-СПб.: Изд-во Санкт-Петербургской картографической фабрики ВСЕГЕИ, 2006. — 602 с.
4. Смирнова М. Н. Основы геологии СССР. Учебник для студентов горн. и нефт. спец. вузов. 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1984. — 384 с.
5. Геология угля и горючих сланцев СССР. Т. 5. Казахстан. — М.: Недра, 1972.
6. Газоносность угольных бассейнов и месторождений СССР. В 3 т. / Гл. ред. А. И. Кравцов. — М.: Недра, 1978—1980. — 1105 с.
7. Газоугольные бассейны России и мира / Под ред. В. Ф. Череповского. — М., 2002. — 249 с.
8. Кузнецов В. А. Основные этапы геотектоничекого развития юга Алтае-Саянской горной области // Труды Западно-Сибирского филиала АН СССР. — 1952. — Вып. 12. — С. 6—68.
9. Опарин В. Н., Киряева Т.А. и др. Горно-экспериментальные исследования параметрических особенностей развития нелинейных геомеханических процессов и их опасных газодинамических следствий при подземной разработке угольных месторождений / Геомеханические поля и процессы: экспериментально-аналитические исследования формирования и развития очаговых зон катастрофических событий в горно-технических и природных системах. Т. 1. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2018. — С. 468—770.
10. Полевщиков Г.Я. Динамические газопроявления при проведении подготовительных и вскрывающих выработок в угольных шахтах. — Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2003. — 317 с.
11. Геолого-промышленная карта Кузнецкого бассейна, м-б 1:100000 / Под ред. А. З. Юз-вицкого. — Новосибирск: СНИИГГИМС, 2000. — 128 с.
12. Угольная база России. Т. 2. — М., 2003. — 604 с.
13. Прогноз качества углей в бассейнах с широким проявлением магматизма: методические рекомендации. — СПб.: ВСЕГЕИ, 1992. — 74 с.
14. ШпиртМ.Я., Клер В. Р., Перциков И.З. Неорганические компоненты твердых топлив. — М.: Химия, 1990. — 238 с.
15. Юдович Я.Э., Кетрис М. П., Мерц А. В. Элементы примеси в ископаемых углях. — М.: Наука, 1985. — 239 с.
16. Шпирт М.Я., Середин В. В., Горюнова Н. П. Формы соединений редкоземельных элементов в углях // Химия твердого топлива. — 1999. — № 3. — С. 91—99.
17. Опарин В. Н. К теоретическим основам описания взаимодействия геомеханических и физико-химических процессов в угольных пластах // ФТПРПИ. — 2017. — № 2. — С. 3—19.
18. Курленя М. В., Опарин В. Н. Осцилляционная геодинамика и эффект «зависания» горных систем / Труды международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли». — Новосибирск: ИгД СО РАН, 2002. — С. 19—35.
19. Киряева Т.А. Разработка метода газодинамической активности угольных пластов по геологоразведочным данным на примере Кузбасса. Дис. на соиск. ученой степ. канд. техн. наук. — Кемерово, 2005. — 97 с.
20. Ермеков М.А., Ортенберг О. Ш. О применимости теории Лэнгмюра к изучению мета-ноемкости ископаемых углей // Известия вузов. Горный журнал. — 1976. — № 1.
21. Киряева Т.А. Особенности устойчивых состояний искусственных и природных углеме-тановых систем // Естественные и технические науки. — 20ll. — № 4. — С. 309—318.
22. Полевщиков Г.Я., Киряева Т.А. Энергия релаксации сорбционной метаноемкости углей // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2006. — ОВ Метан. — С. 84—90.
23. Айруни А. Т. Прогнозирование и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах. — М.: Наука, 1987. — 310 с.
24. Airuni A., Zverev I., Ettinger I. The part played by the sorption pressure of solid solution of methane in coal development of sudden outbursts // Proceedings of the XX International conference of Safety in Mines Research Institutes. Great Britain, Sheffild, 1983.
25. Airuni A., Zverev I., Alexeev A., Sapunov V., Sinolickij V. Investigation the role played by solid Gas-Coal solution in outbursts hazard formations / Proc. of the XX International conference of Safety in Mines Research Institutes. USA, Washington, 1989.
26. Айруни А. Т. Искусственное увеличение защитного действия при разработке выбросо-опасных пластов. Вып. 7. — М.: Изд. ЦНИЭИугля, 1984. — 49 с.
27. Алексеев А. Д., Айруни А. Т., Зверев И. В. и др. Распад газоугольных твердых растворов // ФТПРПИ. — 1994. — № 3. — С. 65—70.
28. Эттингер И.Л. Напряжение набухания в системе газ-уголь как источник энергии в развитии внезапных выбросов угля и газа // ФТПРПИ. — 1979. — № 5. — С. 78—87.
29. Опарин В. Н., Киряева Т.А., Гаврилов В. Ю., Шутилов Р.А., Ковчавцев А. П., Танай-но 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.
30. Постановления межведомственного стратиграфического комитета и его постоянных комиссий. Вып. 38. — СПб.: Изд. ВСЕГЕИ, 2008. — 151 с.
31. http://суclowiki.org/wiki/Аварии на шахтах Кузбасса.
32. Опарин В. Н. Волны маятникового типа и «геомеханическая температура» / Труды 2-ой Российско-китайской международной конференции «Нелинейные геомеханико-геоди-намические процессы при отработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах». — Новосибирск: ИГД СО РАН, 2012. — С. 169—172. HZH
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Опарин Виктор Николаевич1 — член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, e-mail: [email protected], Адушкин Виталий Васильевич12 — академик РАН, Киряева Татьяна Анатольевна1 — кандидат технических наук, старший научный сотрудник,
Потапов Вадим Петрович1,3 — доктор технических наук, профессор,
1 Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН,
2 Институт динамики геосфер РАН,
3 Институт вычислительных технологий СО РАН (Кемеровский филиал).
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 10, pp. 5-29.
Regional clustering of coal fields in Kuzbass with respect to gas-dynamics activity. Part II: Influence of geothermal, geodynamic and physicochemical processes
Oparin V.N.1, Corresponding Member of Russian Academy of Sciences, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, e-mail: [email protected], Adushkin V.V.1,2, Academician of Russian Academy of Sciences, Kiryaeva T.A.1, Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Potapov V.P.1,3, Doctor of Technical Sciences, Professor,
1 Chinakal Institute of Mining of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 630091, Novosibirsk, Russia,
2 Institute of Geosphere Dynamics of Russian Academy of Sciences, 119334, Moscow, Russia,
3 Institute of computer technology, Kemerovo branch, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 650025, Kemerovo, Russia.
Abstract. The final part of the article sets deterministic relationships in distributions of volatiles, specific methane relaxation energy in Kuzbass coal of various ranks and their geological age. To this end, mass data on geomechanics, geodynamics, geological structure and other information on basic objects of subsoil use in Kuzbass are collected and processed. The experimental and theoretical relationships made it possible to explain geomechanically and tectonophysically major gas-dynamic events and their clustering for large coal fields in Kuzbass based on actual data on man-made disasters over the period of 1947-2010. The results obtained for the first time are of significant methodological value for construction of integrated monitoring systems for geodynamic safety of Siberian mines in the adjacent areas holding different mineral deposits of organic and inorganic nature.
Key words: coal and ore deposits in Kuzbass, clustering by gas-dynamic activity, ore province-mag-matic deposit distance, geological age and ranks of coal, volatile yield, specific relaxation energy, geoinfor-mation data banks, man-made disasters, carbonization processes.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-10-0-5-29
ACKNOWLEDGEMENTS
The work is executed at financial support of Russian Scientific Foundation (project No. 17-17-01282). REFERENCES
1. Oparin V. N., Adushkin V. V., Kiryaeva T. A., Potapov V. P. Regional'naya klasterizatsiya ugol'nykh mestorozhdeniy Kuzbassa po gazodinamicheskoy aktivnosti. Chast' I: geomekhanicheskie, strukturno-geo-logicheskie i tektonofizicheskie osnovy [Regional clustering of coal fields in Kuzbass with respect to gas-dynamics activity. Geomechanical, structural-geological and tectonophysical framework], Gornyy informa-tsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018, no 9, pp. 5—24. [In Russ].
2. Bol'shaya Rossiyskaya Entsiklopediya. T. 16 [Great Russian Encyclopedia. Vol. 16], Moscow, Izd-vo «Bol'shaya Rossiyskaya entsiklopediya», 2010, pp. 256—257.
3. Rossiyskaya ugol'naya entsiklopediya. T. 2 [Russian coal encyclopedia. Vol. 2], Moscow-Saint-Petersburg, Izd-vo Sankt-Peterburgskoy kartograficheskoy fabriki VSEGEI, 2006, 602 p.
4. Smirnova M. N. Osnovy geologii SSSR. Uchebnik dlya vuzov. 3-e izd. [Principles of Geology of the USSR. Textbook for high schools. 3rd edition], Moscow, Vysshaya shkola, 1984, 384 p.
5. Geologiya uglya i goryuchikh slantsev SSSR. T. 5. Kazakhstan [Geology of coal and oil shale in the USSR. Vol. 5. Kazakhstan], Moscow, Nedra, 1972.
6. Gazonosnost' ugol'nykh basseynov i mestorozhdeniy SSSR. V 3 t. Pod red. A. I. Kravtsova [Gas content of coal basins in the USSR. In 3 volumes. Kravtsov A. I. (Ed.)], Moscow, Nedra, 1978—1980, 1105 p.
7. Gazougol'nye basseyny Rossii i mira. Pod red. V. F. Cherepovskogo [Gassy coal basins in Russia and in the world. Cherepovskiy V. F. (Ed.)], Moscow, 2002, 249 p.
8. Kuznetsov V. A. Osnovnye etapy geotektonichekogo razvitiya yuga Altae-Sayanskoy gornoy oblasti [Basic stages of geotectonics development in the south of Altai-Sayan folded area]. Trudy Zapadno-Sibirskogo filiala AN SSSR. 1952, issue 12, pp. 6—68. [In Russ].
9. Oparin V. N., Kiryaeva T. A. Gorno-eksperimental'nye issledovaniya parametricheskikh osobennostey razvitiya nelineynykh geomekhanicheskikh protsessov i ikh opasnykh gazodinamicheskikh sledstviy pri podzemnoy razrabotke ugol'nykh mestorozhdeniy [Experimental mine-scale research into parametric features of nonlinear geomechanical processes and their hazardous gas-dynamic aftereffects in underground coal mining]. Geomekhanicheskie polya i protsessy: eksperimental'no-analiticheskie issledovaniya formiro-vaniya i razvitiya ochagovykh zon katastroficheskikh sobytiy v gorno-tekhnicheskikh i prirodnykh sistemakh. Vol. 1. Novosibirsk, Izd-vo SO RAN, 2018, pp. 468—770.
10. Polevshchikov G. Ya. Dinamicheskie gazoproyavleniya pri provedenii podgotovitel'nykh i vskryvayush-chikh vyrabotok v ugol'nykh shakhtakh [Gas-dynamic phenomena in access and preparatory heading in coal mines], Kemerovo, Institut uglya i uglekhimii SO RAN, 2003, 317 p.
11. Geologo-promyshlennaya karta Kuznetskogo basseyna, masshtab 1:100000. Pod red. A. Z. Yuzvit-skogo [Industrial-geological map of the Kuznetsk Coal Basin, Scale 1:100000. Yuzvitskiy A. Z. (Ed.)], Novosibirsk, SNIIGGIMS, 2000, 128 p.
12. Ugol'naya baza Rossii. T. 2 [Coal reserves of Russia. Vol. 2], Moscow, 2003, 604 p.
13. Prognoz kachestva ugley v basseynakh s shirokim proyavleniem magmatizma: metodicheskie reko-mendatsii [Prediction of coal quality in basins with widespread magmatism: methodical recommendation], Saint-Petersburg, VSEGEI, 1992, 74 p.
14. Shpirt M. Ya., Kler V. R., Pertsikov I. Z. Neorganicheskie komponenty tverdykh topliv [Inorganic components of solid fuels], Moscow, Khimiya, 1990, 238 p.
15. Yudovich Ya. E., Ketris M. P., Merts A. V. Elementy primesi v iskopaemykh uglyakh [Admixture elements in fossil coal], Moscow, Nauka, 1985, 239 p.
16. Shpirt M. Ya., Seredin V. V., Goryunova N. P. Formy soedineniy redkozemel'nykh elementov v uglyakh [Types of coupling of rare earth elements in coal], Khimiya tverdogo topliva. 1999, no 3, pp. 91—99.
17. Oparin V. N. K teoreticheskim osnovam opisaniya vzaimodeystviya geomekhanicheskikh i fiziko-kh-imicheskikh protsessov v ugol'nykh plastakh [Theoretical frameworks of description of interaction between geomechanical and physicochemical processes in coal seams], Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2017, no 2, pp. 3—19.
18. Kurlenya M. V., Oparin V. N. Ostsillyatsionnaya geodinamika i effekt «zavisaniya» gornykh sistem [Oscillation geodynamics and rock mass «bridging» phenomenon]. Trudy mezhdunarodnoy konferentsii «Geodinamika i napryazhennoe sostoyanie nedr Zemli». Novosibirsk, IGD SO RAN, 2002, pp. 19—35. [In Russ].
19. Kiryaeva T. A. Razrabotka metoda gazodinamicheskoy aktivnosti ugol'nykh plastov po geologorazve-dochnym dannym na primere Kuzbassa [Method to determine gas-dynamic activity in coal seams by geological exploration data in terms of Kuzbass], Candidate's thesis, Kemerovo, 2005, 97 p.
20. Ermekov M. A., Ortenberg O. Sh. O primenimosti teorii Lengmyura k izucheniyu metanoemkosti iskopaemykh ugley [Applicability of the Langmuir theory to studying methane sorption capacity of fossil coal], Izvestiya vuzov. Gornyyzhurnal. 1976, no 1. [In Russ].
21. Kiryaeva T. A. Osobennosti ustoychivykh sostoyaniy iskusstvennykh i prirodnykh uglemetanovykh sistem [Features of stable states of artificial and natural coal-methane systems], Estestvennye i tekhnicheskie nauki. 2011, no 4, pp. 309-318.
22. Polevshchikov G. Ya., Kiryaeva T. A. Energiya relaksatsii sorbtsionnoy metanoemkosti ugley [Energy relaxation of methane sorption capacity of coal], Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2006. Special edition Metan, pp. 84—90. [In Russ].
23. Ayruni A. T. Prognozirovanie i predotvrashchenie gazodinamicheskikh yavleniy v ugol'nykh shakhtakh [Prediction and prevention of gas-dynamic phenomena in coal mines], Moscow, Nauka, 1987, 310 p.
24. Airuni A., Zverev I., Ettinger I. The part played by the sorption pressure of solid solution of methane in coal development of sudden outbursts. Proceedings of the XX International conference of Safety in Mines Research Institutes. Great Britain, Sheffild, 1983.
25. Airuni A., Zverev I., Alexeev A., Sapunov V., Sinolickij V. Investigation the role played by solid Gas-Coal solution in outbursts hazard formations. Proceedings of the XX International conference of Safety in Mines Research Institutes. USA, Washington, 1989.
26. Ayruni A. T. Iskusstvennoe uvelichenie zashchitnogo deystviya pri razrabotke vybrosoopasnykh plastov. Vyp. 7 [Artificial enhancement of protection in mining outburst-hazardous coal seams. Issue 7], Moscow, Izd-vo TSNIEIuglya, 1984, 49 p.
27. Alekseev A. D., Ayruni A. T., Zverev I. V. Raspad gazougol'nykh tverdykh rastvorov [Decomposition of gas-coal solid solutions]. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 1994, no 3, pp. 65—70. [In Russ].
28. Ettinger I. L. Napryazhenie nabukhaniya v sisteme gaz-ugol' kak istochnik energii v razvitii vnezap-nykh vybrosov uglya i gaza [Swelling stress in gas-coal system as an energy source of coal and gas outbursts]. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 1979, no 5, pp. 78—87. [In Russ].
29. Oparin V. N., Kiryaeva T. A., Gavrilov V. Yu., Shutilov R. A., Kovchavtsev A. P., Tanayno A. S., Efimov V. P., Astrakhantsev I. E., Grenev I. V. O nekotorykh osobennostyakh vzaimodeystviya mezhdu geomekhanicheski-mi i fiziko-khimicheskimi protsessami v ugol'nykh plastakh Kuzbassa [Some features of interaction between geomechanical and physicochemical processes in coal seams in Kuzbass]. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2014, no 2, pp. 3—30. [In Russ].
30. Postanovleniya mezhvedomstvennogo stratigraficheskogo komiteta i ego postoyannykh komissiy. Vyp. 38 [Decrees of interdepartmental stratigraphy committee and its standing commissions. Issue 38], Saint-Petersburg, Izd-vo VSEGEI, 2008, 151 p.
31. http://суclowiki.org/wiki/Аварии на шахтах Кузбасса.
32. Oparin V. N. Volny mayatnikovogo tipa i «geomekhanicheskaya temperatura» [Pendulum waves and «geomechanical temperature»], Trudy 2-oy Rossiysko-Kitayskoy mezhdunarodnoy konferentsii «Neliney-nye geomekhaniko-geodinamicheskie protsessy pri otrabotke mestorozhdeniy poleznykh iskopaemykh na bol'shikh glubinakh». Novosibirsk, IGD SO RAN, 2012, pp. 169—172. [In Russ].
