Охрана труда в горно-геологической отрасли → Охрана труда в угольной промышленностиОхрана труда в горно-геологической отрасли → Охрана труда в угольной промышленностиОхрана труда в горно-геологической отрасли → Охрана труда в угольной промышленностиТеории (гипотезы) выбросов угля и газа следует рассматривать как совокупность знаний природы формирования выбросоопасности и механизма возникновения и протекания выбросов. Знания о природе выбросоопасности являют собой научную основу разработки способов прогноза выбросоопасности, а знания о механизме возникновения и протекания выбросов - научную основу создания способов предотвращения выбросов.
На третьей Всесоюзной конференции по борьбе с внезапными выбросами (1955 г.) акад. А.А. Скочинский предложил концепцию, согласно которой три фактора в совокупности обусловливают формирование выбросоопасности
где σ - напряженность пласта; χ – газоносность пласта; М – физико-механические свойства угля.
Позже в докладе МакНИИ (В.И. Николин) на международном симпозиуме по выбросам угля (породы) и газа (г. Донецк, 1974 г) предложено было считать, что два фактора в совокупности горное давление и физико-механические свойства газоносного пласта формируют потенциальную выбросоопасность. Дальнейшие исследования МакНИИ–ДонНТУ позволили разработать физическую модель выбросоопасного пласта, которая наряду с установленными закономерностями связи выбросоопасности шахтопластов со степенью метаморфизма углей, обоснования единства механизма выбросов угля, породы и газа и составляют основу современных представлений о природе формирования выбросоопасности и механизме возникновения и протекания выбросов.
Первоначально физическая модель содержала представление о том, что выбросоопасный угольный пласт - это трещиновато-пористое тело, отдельные структурные блоки которого газонепроницаемы и способны увеличиваться в объёме при увеличении содержания метана (углекислого газа, высших углеводородов и др.). Метан рассматривался как источник дополнительных (внутренних) напряжений или как фактор, обусловливающий такое изменение деформационных свойств газоносного угольного массива, которое существенно увеличивает склонность (способность) его к разрушению при разгрузке.
В дальнейшем были выполнены исследования, направленные не столько на уточнение ранее разработанной физической модели выбросоопасного пласта, сколько на выяснение положений, которые помогли бы понять причины как нулевой проницаемости выбросоопасного массива, локальности выбросоопасности, так и влияния метана на деформационные свойства угольного пласта, его повышенную склонность к разрушению при разгрузке.
Экспериментально было доказано, что аналитическая (материнская) влажность угля в реально выбросоопасных зонах в два раза превосходит аналитическую влажность угля невыбросоопасных зон, т. е. чтобы зона стала выбросоопасной, нужна не только более высокая природная газоносность, но и более высокая материнская влажность угля. На основании результатов экспериментального изучения свойств воды, находящейся в капиллярах (ячейках) размером (диаметром) менее 10-7 м был сделан вывод, что, локальность проявления выбросов может быть объяснена с позиций представления состояния метана квазитвердым.
Особенностью молекулы воды, отличающую её от всех других твёрдых тел и жидкостей, заключаются в дипольности ее молекул. Вода и метан, находящиеся в капиллярах (ячейках) размером (диаметром) менее 10-7, образуют под действием Ван-дер-Ваальсовых сил на поверхности капилляра молекулярные слои – на стенках вода, внутри метан. Микрополости превращают воду в твердое тело с совершенно аномальными свойствами по сравнению со свойствами воды в макроусловиях. Такая физическая модель выбросоопасного пласта, во-первых, позволяет объяснить локальность выбросоопасности.
Молекулы метана, оказавшиеся в «плену» аномально жёстких дипольных молекул воды, не смогут уравнивать природную газоносность. Во-вторых, она объясняет изменение деформационных характеристик угольного выбросоопасного массива при изменении водо-метаноносности, приводящее к охрупчиванию при разрушении от разгрузки, вследствие увеличения склонности к разрушению от деформаций упругого восстановления, последействия и обратной ползучести, являющихся по своей сущности деформациями растяжения. В третьих, такая трактовка физической модели хорошо объясняет инструментально установленные задержки деформаций (сближения пород почвы и кровли пластов) в лавах крутых пластов перед выбросами.
Первые доказательства зависимости выбросоопасности от степени метаморфизма углей (Vdaf,%) основывались на анализе статистических данных и потребовали вскрытия природной сущности этой зависимости.
В целом графическое представление закономерности связи выбросоопасности со степенью метаморфизма углей показано на рисунке 21.2.
Рисунок 21.2 - Графики зависимости от степени метаморфизма углей выбросоопасности угольных пластов: 1, минимальной глубины первых выбросов 2 и выбросоопасности пластов (слоев) песчаников 3 Pi - вероятность возникновения выбросов угля и песчаников; H - глубина разработки; Vdaf (lqρ,М) - показатели степени метаморфизма углей
Изучение физической сущности зависимости глубины первых выбросов от степени метаморфизма углей позволило установить, что она определяется глубиной зоны газового выветривания. Чем выше степень метаморфизма углей, тем более прочны и менее пористы породы, их вмещающие, а потому меньше глубина зоны газового выветривания, следовательно, глубина, на которой могут происходить первые выбросы.
Природное формирование выбросоопасности угольных пластов закономерно, в параболической зависимости определяется степенью метаморфизма углей. Это доказывается совпадением максимальной вероятности возникновения выбросов соответствующей Vdaf = 20% с максимальными (минимальными) значениями основных свойств угля: минимум прочности и пористости углей приходится на Vdaf = 20-24%; максимум природной газоносности, отнесенной к объёму пор, приходится на Vdaf = 20%; максимальное давление газа выбросоопасных угольных пластов и максимальное содержание высших углеводородов в составе газов пластов приходится на Vdaf = 22%.
Рост, а затем, при достижении области Vdaf = 20%, снижение вероятности возникновения выбросов при разработке выбросоопасных пластов объясняется тем, что физико-химические превращения органических веществ сопровождаются генерированием метана и его гомологов до области Vdaf ≈ 19-21%. В дальнейшем, по мере роста степени метаморфизма углей, метан и его гомологи не генерируются, а «расходуются». Их физико-химическое взаимодействие с углем (органикой и неорганическими соединениями) при наличии материнской влаги, приводит к росту пористости. При этом каменный уголь марок Ж и К из низкопористого и малопрочного превращается в прочный, хотя и высокопористый, практически негазоносный антрацит.
Доказательство того, что имеет место проявление природной закономерности, требовало уточнения степени метаморфизма углей в окрестности предельных точек А и Б на оси абсцисс, соответствующей степени метаморфизма углей, в которых зарождается, а затем и вырождается выбросоопасность (рис. 21.2). Дело в том, что показатель Vdaf,%. недостаточно надёжно оценивает степень метаморфизма антрацитов при Vdaf < 8%. а также степень метаморфизма каменных углей при Vdaf > 25%. Для более надёжной оценки степени метаморфизма антрацитов используется показатель lgр - логарифм удельного электросопротивления антрацитов. Для каменных углей, когда Vdaf > 25% было предложено использовать комплексный критерий метаморфизма
М = f(Vdaf ,у), у.е.,
где у - толщина пластического слоя, образующегося при нагревании угля без доступа воздуха, мм.
В точке А на оси абсцисс lgр = 3,3, в точке Б - М = 27,7 у.е. (рис.21.2.). Следовательно, если lgр < 3,3 и М > 27,7 у.е. при разработке угольных пластов выбросоопасносгь не формируется.
Выбросы песчаников и газа в Донбассе происходят даже в тех геолого-промышленных районах и на тех шахтах, где ранее не происходили выбросы угля и газа. Вместе с тем, комплекс разносторонних лабораторных и шахтных экспериментов позволил отечественным специалистам прийти к выводу о единстве природы выбросов угля и газа, породы (песчаников) и газа.
Первоочередным вопросом здесь являлся вопрос о том, откуда в песчаниках газ. Так, природная газоносность выбросоопасных песчаников составляет в среднем (2,6 ± 0,4) 10-3 м3/кг, в невыбросоопасных - (2,6 ± 0,4) 10-3 м3/кг. В поисках доказательного ответа на этот вопрос был выполнен в течение нескольких лет очень значительный объём, иногда неординарных шахтных и лабораторных экспериментов, включающих:
Оказалось, что давление газов в выбросоопасных слоях песчаников достигает 10 МПа и отличается в несколько раз от давления в выбросоопасных угольных пластах; давления газов и их состав в камерах одних и тех же скважин неодинаковы, а содержание газов и состав водных растворов различаются иногда на один и даже на два порядка.