Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева»

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

«Институт углехимии и химического материаловедения

Сибирского отделения Российской академии наук»

На правах рукописи

СМИРНОВ ВЯЧЕСЛАВ ГЕННАДЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ

В СИСТЕМЕ ВОДА – МЕТАН НА ФОРМИРОВАНИЕ

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ

Специальность: 02.00.04 – Физическая химия

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Дырдин Валерий Васильевич

Научный консультант: доктор химических наук

Манаков Андрей Юрьевич

Кемерово 2014

2

Содержание

Введение…………………………………………………………………………. 4

Глава. 1. Состояние вопроса по исследованию влияния различных

форм связи метана с угольной матрицей на формирование

газодинамических процессов в краевых зонах угольных пластов ….…. 10

1.1. Внезапные выбросы угля и газа при подземной разработке угольных

пластов ……………..……………………………………….……………. 11

1.1.1. Внезапные выбросы угля и газа на шахтах мира, России, Кузбасса …. 11

1.1.2. Природа и механизм внезапных выбросов угля и газа ………..…….…. 14

1.1.3. Методы прогноза и способы предотвращения внезапных выбросов …. 19

1.1.4. Детали теории внезапных выбросов угля и газа, требующие уточнения 21

1.2. Метан и его содержание в угольных пластах …………………..………. 23

1.2.1. Формы связи метана с угольной матрицей ……….…………….…….… 23

1.2.2. Особенности структуры природного угля …………………….………… 26

1.3. Клатратные соединения, газовые гидраты метана в угольной матрице 30

1.4. Выводы …………………………………………………………………….. 36

1.5. Цель и задачи исследования …………………………………………….. 37

Глава. 2. Экспериментальные исследования образования и разложения

газовых гидратов метана в порах природного угля ………………………. 38

2.1. Требования к экспериментальной установке ……..……………….…… 38

2.2. Общая схема и технические характеристики установки …….………... 40

2.3. Сорбционный анализ образца угля ……………………………………… 44

2.4. Фазовые превращения метана при разложении газовых гидратов в

порах угольной матрицы …………...…………………………………… 48

2.5. Выводы …………………………………………………………………….. 58

Глава. 3. Количественные закономерности и условия разложения

газовых гидратов метана в порах природного угля ………………………. 59

3.1. Термобарические точки разложения и образования газовых гидратов

метана в порах природного угля ……………..…………………………. 59

3

3.2. Количество влаги в порах угля, вовлекающейся в гидратообразование 64

3.3. Состояние воды в порах природного угля …..…………………..…..….. 72

3.4. Энергия активации процесса разложения и образования гидратов

метана в порах природного угля ………………………………..……….. 76

3.5. Выводы …………………………………….………………………..….….. 83

Глава. 4. Влияние объема образующихся трещин в краевой зоне

угольного пласта на устойчивость газогидратов ………………………….. 84

4.1. Энергетическая оценка трещинообразования ………………………..…. 84

4.2. Силовая оценка трещинообразования ………………..…………..……… 88

4.3. Образование и взаимодействие трещин ………………………………… 92

4.4. Увеличение свободного объема, доступного для газовой фазы и его

влияние на разложение газовых гидратов …………………………………… 99

4.5. Выводы …………………………………………………………………….. 104

Глава. 5. Влияние фазовых превращений метана на формирование

газодинамических явлений ………………………………..……………...… 105

5.1. Параметры состояния газовой фазы и количественные оценки

фазовых превращений метана в порах и трещинах угольного пласта …..…... 106

5.2. Поглощаемая теплота фазового перехода, время установления

температурного равновесия …….……………………………………………… 108

5.3. Влияние свободной, сорбированной и газогидратной форм метана на

ускоряющийся рост трещин и развитие внезапного выброса угля и газа …… 114

5.4. Выводы ……………………………………………………….……….…… 120

Заключение ……………………………………………………………………... 121

Список литературы ………………………………………….……….……..…. 123

4

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Метан, образующийся в процессе метаморфизма

угольного вещества, частично остается внутри угольной матрицы. Свободный

метан находится в газообразном состоянии внутри открытых и закрытых пор.

Некоторое количество метана сорбируется на внутренней поверхности пор угля, а

также в микропорах, размер которых сравним с размером молекул. Часть метана

растворяется в твердом угольном веществе. Однако законы сорбции и

растворимости [1–4, 23, 58, 68, 83, 85, 101–104, 118], применяемые для описания

газосодержания и газотдачи природного угля, не могут в полной мере объяснить

все природные явления, происходящие с метаном в угольных пластах при их

разработке подземным способом. Примером этого может быть [1–4, 6, 35, 48–49,

51–54, 56–60, 63–64, 85–90, 117] лавинообразное разложение метаноугольного

пласта, происходящее при внезапных выбросах угля и газа, а также [44, 50, 62]

аномально низкое газовыделение в пробуренные скважины при дегазации.

Исследование возможности добычи метана из угольных пластов и способов

предотвращения внезапных выбросов угля и газа нерационально проводить без

уточнения возможных форм связи метана с угольной матрицей на молекулярном

уровне. Одной из таких форм являются [7, 18–19, 27, 37, 41, 111, 120, 122]

соединения включения - клатратные соединения. Например, в газовых гидратах

молекула метана занимает естественные полости кристаллической решетки,

образованной молекулами воды. В этой связи научная задача установления

закономерностей образования и разложения газовых гидратов и влияния фазовых

превращений в системе вода – метан на формирование газодинамических

процессов в угольных пластах является актуальной.

Объектом исследования являются фазовые превращения метана с

образованием газовых гидратов в природном угле.

Предметом исследования являются количественные закономерности и

термобарические условия фазовых превращений метана во влажном угле, а также

влияние фазовых превращений метана на газодинамические процессы в угольных

пластах.

5

Идея работы состоит в том, что метан в угольных пластах при

определенных термобарических условиях может существовать в виде соединений

включения – газовых гидратов метана. В процессе разработки угольного пласта в

его краевой зоне изменяются механические напряжения, падает поровое давление

газа, вследствие чего может происходить диссоциация газогидратов и переход

метана в свободное состояние. Фазовые превращения метана могут быть одним из

факторов возникновения внезапных выбросов угля и газа.

Целью работы является исследование закономерностей фазовых

превращений газовых гидратов метана в пористом пространстве угольной

матрицы и их влияние на развитие газодинамических процессов в краевой зоне

угольных пластов.

Для достижения поставленной цели в рамках данной диссертационной

работы должны быть решены следующие задачи:

1. Экспериментально определить термобарические параметры и

количественные характеристики фазовых превращений газовых гидратов метана в

порах природного угля.

2. Установить влияние образующихся в краевой зоне угольных пластов

трещин на фазовые превращения газовых гидратов метана.

3. Исследовать влияние фазового превращения газовых гидратов на

развитие трещины в краевой зоне угольного пласта и переход системы в

состояние внезапного выброса угля и газа.

Методы исследований. Для достижения поставленных в диссертационной

работе задач применялся экспериментальный метод исследований, включающий

лабораторные измерения при помощи высокочувствительных датчиков

температуры и давления реакции системы влажный уголь – метан на изменение

внешних параметров; уравнение состояния реальных газов использовалось для

расчета количества метана переходящего в газовую фазу; теоретическим методом

на основе законов механики сплошных сред определялись условия образования и

роста дополнительных трещин в зоне упругих деформаций угольного пласта,

которые приводят к фазовым превращениям соединений включения по типу

6

газовых гидратов; методами термодинамики анализировалась устойчивость

газовых гидратов метана вблизи кривой фазового равновесия и роль

выделяющегося метана в формировании неустойчивых состояний трещиноватого

угольного массива.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. При линейном понижении температуры системы метан – влажный

уголь от 293 до 258 К вблизи точки Т = 276 К и Р = 5.14 МПа происходит переход

метана из газовой фазы в кристаллогидратную с образованием газовых гидратов

метана в угле, а при повышении температуры в точке 280 К и 5.1 МПа происходит

разложение гидрата и переход метана в газовую фазу. В угле влажностью 2.67 % в

образовании гидрата участвует 37 % влаги.

2. Увеличение давления метана в системе от 2 до 5 МПа снижает порог

влажности от 1.7 до 1.3 %, при котором возможно образование газовых гидратов

метана в угольной матрице, а энергия активации разложения газовых гидратов

метана составляет 333 кДж/моль.

3. Суперпозиция напряжений приводит к появлению в краевой зоне

угольного пласта ориентированных трещин, которые в 1.5–2 раза увеличивают

объем, доступный для газовой фазы, что вызывает падение давления и

инициирует разложение газовых гидратов.

4. В угле пористостью 4 % и вовлекаемой в образование гидрата

влажностью 1.5 % разложение газовых гидратов приводит к увеличению давления

в порах от 5 до 9 МПа, что приводит к формированию газодинамических

процессов, вызывающих дальнейшее разрушение угля и вынос его в горную

выработку.

Достоверность результатов, выносимых на защиту, подтверждается

теоретическими и экспериментальными исследованиями, проведенными автором

диссертации совместно с учеными КузГТУ, ИУХМ СО РАН, ИК СО РАН

им. Г. К. Борескова и ИНХ СО РАН им. А. В. Николаева, и опубликованными в

рецензируемых журналах ВАК. На лабораторной установке, созданной в

лаборатории клатратных соединений ИНХ СО РАН, получены новые данные и

7

построены экспериментальные термодинамические диаграммы давление –

температура (P–T-диаграммы) для системы, содержащей уголь заданной

влажности и газообразный метан.

Обоснованность результатов подтверждается законами термодинамики и

уравнениями состояния реальных газов, используемыми для расчета количеств

метана, переходящего в газовую фазу, а также законами механики сплошной

среды, применяемыми для установления закономерностей трещинообразования в

зоне упругого деформирования угля. Представленные в работе результаты не

противоречат данным, полученным другими исследователями.

Научная новизна

1. При понижении температуры системы метан – влажный уголь

зарегистрировано нелинейное падение давления в связи с образованием газовых

гидратов метана в угле. Пиковое выделение метана из влажного угля происходит

вблизи термобарической точки разложения газовых гидратов.

2. Экспериментально определены термобарические условия и

рассчитана энергия активация процесса разложения газогидратов метана в порах

природного угля. Впервые показано снижение минимального порога влажности,

требуемой для образования газовых гидратов метана в угле при увеличении

давления.

3. Впервые установлено влияние образующихся в краевой зоне угольных

пластов трещин на фазовые превращения газовых гидратов метана.

4. Показано, что неустойчивые состояния угольного пласта, из которых

развивается внезапный выброс угля и газа, возникают при существовании в

угольном пласте газовых гидратов метана.

Личный вклад автора

1. Разработана лабораторная установка и методика эксперимента для

исследования фазовых превращений метана с образованием газогидратов в

угольной матрице.

8

2. Получены экспериментальные термодинамические Р–Т-диаграммы

системы влажный уголь – газообразный метан, выявлены количественные

закономерности и рассчитана энергия активации разложения газовых гидратов.

3. Определены закономерности образования и взаимодействия растущих

трещин, дополнительный объем которых влияет на равновесие метана в системе

газовая фаза – соединения включения по типу газовых гидратов метана.

4. Изучено влияние метана, выделяющегося при разложении

метастабильных соединений, на развитие изолированных газонаполненных

трещин и формирование внезапных выбросов угля и газа.

Научное значение работы заключается в изучении закономерностей

фазовых превращений метана в угольной матрице, определении характера

взаимодействия растущих трещин и установлении влияния разложения

метастабильных соединений метана на развитие внезапных выбросов угля и газа,

расширяющих представления о физических процессах, протекающих в краевой

зоне угольного пласта в системе каменный уголь – природный газ – влага.

Практическое значение работы состоит в разработке «Методического

руководства по прогнозу зон, потенциально опасных по газодинамическим

явлениям при проведении подготовительных выработок с учетом твердых

растворов природного газа по типу газовых гидратов», позволяющее разработать

технические мероприятия по их предотвращению и повышению безопасности

горных работ. Получен патент № 2528304 от 17 июля 2014 года на изобретение

«Способ определения выбросоопасных зон в угольных пластах». Обнаруженные

закономерности фазовых превращений газогидратов метана применимы также к

процессам, происходящим при дегазации и добыче метана из угольных пластов.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы

докладывались на Российской конференции «Газовые гидраты в экосистеме

Земли 2014», г. Новосибирск, 2014 г.; VI Российско-Китайском симпозиуме

«Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных

сооружений», г. Кемерово, 2010 г.; XIII Международной научно-практической

конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс

9

2010»; XIV Международной научно-практической конференции «Природные и

интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2012»; 50-й конференции КузГТУ

«Россия Молодая», 2013 г.; конференции IX mezinárodní vědecko–praktická

konference «Zprávy vědecké ideje– 2013», г. Прага и Международной научно-

практической конференции «Наука и образование – ведущий фактор стратегии

«Казахстан – 2050» (Сагиновские чтения № 5), г. Караганда, 2013 г.

Опубликовано 15 печатных работ, в том числе 7 в рецензируемых

журналах из списка ВАК. Получен один патент на изобретение.

Структура работы. Диссертация изложена на 134 страницах и состоит из

введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 123 наименований.

10

Глава. 1. Состояние вопроса по исследованию влияния различных

форм связи метана с угольной матрицей на формирование

газодинамических процессов в краевых зонах угольных пластов

Ископаемый уголь, наряду с нефтью и природным газом, является одним из

трех основных источников энергии, используемой человечеством. По некоторым

оценкам, в 2030 г. будет истощено 80 % всех мировых промышленно значимых

месторождений нефти и газа, а через 50–70 лет добыча нефти и газа существенно

снизится.

Мировые запасы каменного угля могут обеспечить энергетические

потребности человечества на ближайшие 360 лет при сохранении современного

уровня добычи и потребления. Даже прогнозируя рост потребления

энергоносителей и увеличение доли каменного угля в энергетическом балансе,

эксперты оценивают мировые разведенные запасы угля в 200 лет промышленной

добычи. Около 45 % мировых запасов угля приходится на страны СНГ, из них

более 30 % мировых запасов находится в России. По 16 % мировых запасов угля

находится в США и Китае, примерно по 9 % мировых запасов угля расположено в

Западной Европе и Австралии с Океанией.

Кузнецкий угольный бассейн (Кузбасс) является одним из самых крупных в

нашей стране. В России около 56 % каменного угля, в том числе до 80 %

коксующегося угля, добывается кузбасскими предприятиями. Угольная отрасль

является основой экономики Кузбасского региона. Отлаженная работа шахт и

разрезов по добыче полезного ископаемого, а также предприятий по подготовке,

транспортировке и переработке угля влияет на уровень благосостояния граждан

Кузбасса. Одновременно с этим промышленная деятельность предприятий

угольной отрасли зачастую несет угрозу здоровью и жизни горнорабочих,

увеличивает техногенные риски. Безопасность и экономическая эффективность

ведения горных работ определяется, в конечном счете, глубиной знаний о

природных явлениях, возникающих при нарушении человеком равновесного

состояния угольного пласта.

11

Угольный пласт содержит в себе не только твердое вещество, но и легкие

углеводородные газы, в первую очередь метан. В процессе добычи каменного

угля [3–4, 22, 32, 44, 58, 62, 68, 85] метан выделяется в шахтную атмосферу через

образованные поверхности обнажения пласта и с поверхности отбитого угля. При

превышении предельной концентрации метана в воздухе возникает

взрывоопасная смесь. С участием метана происходит [3, 51–54, 58–64, 68, 83–91]

опасное и непредсказуемое явление – внезапные выбросы угля и газа. С другой

стороны, метан является ценным природным ископаемым, используемым в

качестве энергетического и химического сырья. В настоящее время

разрабатываются способы [44] промышленной добычи метана из угольных

пластов.

Увеличение глубины ведения горных работ сопровождается переходом в

более сложные горно-геологические условия. Возрастают риски

газодинамических явлений. Для уточнения и разработки новых технологий

безопасного ведения горных работ, способов дегазации и добычи метана из

неразрабатываемых пластов требуется дальнейшее изучение и детализация

физико-химических процессов, происходящих с метаном в угольных пластах.

1.1. Внезапные выбросы угля и газа при подземной разработке угольных

пластов

1.1.1. Внезапные выбросы угля и газа на шахтах мира, России, Кузбасса

Внезапный выброс угля и газа – быстропротекающий лавинообразный

процесс разрушения краевой зоны угольного пласта и выноса

тонкоизмельченного угля газом из забоя подготовительной или очистной

выработки [22, 35, 46, 48–49, 51–54, 85–86, 117]. Сила выброса измеряется

количеством выброшенного угля и может составлять сотни или даже тысячи тонн,

одновременно с этим выбрасывается несколько десятков тысяч кубических

метров метана. Удельное количество выброшенного метана составляет 20–50 м³/т,

а в некоторых случаях превосходит 100 м³/т выброшенного угля. Внезапный

выброс угля и газа приводит к завалу подземных выработок, разрушению

12

подземного оборудования, а в некоторых случаях и надземных шахтных построек.

Часто внезапный выброс угля и газа сопровождается человеческими жертвами.

Таблица 1.1

Внезапные выбросы угля и газа в некоторых странах мира

Страна

Уголь-

ный

регион

Выброс

угля

или

породы

Тип

газа

Кол-во

выбро-

сов

Наибольшая

сила выброса

Миним.

глубина

выбросов,

м т угля

тыс. м³

газа

Австралия Sydney-

basin Уголь

CH4 +

CO2 669 1 000 14 95

Китай Различ. Уголь +

порода CH4 14 297 12 780 3 500 100

Франция Различ. Уголь +

порода

CH4 +

CO2 6 814 330 400 270

Венгрия Mecsek Уголь CH4 600 1 800 27 140

Япония Hokkaido

Kyushu Уголь CH4 920 5 200 600 –

Польша Upper

Silesia Уголь

CH4 +

CO2 1 738 5 000 750 80

Россия Различ. Уголь +

порода CH4 521 – – 200

Украина Донецк Уголь +

порода CH4 4 689 14 500 600 200

Во всем мире 32 644

Проблема внезапных выбросов угля актуальна по всему миру. В разных

странах мира [117] происходят внезапные выбросы угля (и/или породы) и газа

(метана и/или углекислого газа). В обзоре австралийских ученых (табл. 1.1)

приводятся сведения о выбросах, произошедших на шахтах всего мира до 1996 г.

[117]. Из табл. 1.1 видно, что почти 44 % внезапных выбросов угля и газа

13

произошло в Китае, около 21 % во Франции и примерно 14 % в украинских

шахтах Донецкого угольного бассейна. В табл. 1.1 максимальное разовое

количество выброшенного угля и максимальное количество выделившегося

метана не обязательно соответствует одному и тому же выбросу.

По сведениям, приведенным В. С. Зыковым в 2010 г. [22], всего на шахтах

России произошло 910 внезапных выбросов угля и газа. В Кузнецком бассейне

произошло 195 выбросов, в Печорском – 267, в Ростовской районе Донецкого

бассейна – 207, на Егошинском месторождении Урала – 214 выбросов.

В России первый зарегистрированный внезапный выброс угля и газа

произошел 9 сентября 1906 г. на шахте «Новая Смолянка» [85], происходившие

ранее внезапные выбросы угля и газа не были описаны в технической литературе.

С тех пор остается открытым вопрос о механизме этого явления. В 1917 г. в книге

видного исследователя состояния и движения метана в угольных пластах и

пионера горноспасательного дела в России Н. Н. Черницына изложены

соображения об областях повышенного давления газа в угольных пластах,

приводящих к внезапному выбросу [85].

Рис. 1.1. Газовый баланс двух выбросов, произошедших на ш. «Первомайская»

Первые внезапные выбросы угля и газа в Кузбассе [32, 60]

зарегистрированы в горных выработках шахты «Северная» в 1943 г. К

настоящему моменту количество зарегистрированных случаев внезапных

выбросов угля и газа в Кузбассе превосходит 200 случаев. По состоянию на

1998 г. в семи геолого-экономических районах Кузбасса 42 шахтами

разрабатывается 95 выбросоопасных и 194 угрожаемых пластов [32].

В 2005 и 2006 гг. на ш. «Первомайская» Кемеровского района произошли

внезапные выбросы угля и газа, приведшие к смерти горнорабочих. В январе

15 янв. 2005 г.

метаноносность

пласта 22м³/т

"дополнительный"

объем

14 авг. 2006 г.

метаноносность

пласта 22м³/т "дополнительный"

объем

14

2005 г. было выброшено 412 т угля и 12 600 м³ метана, т. е. примерно 31 м³

выброшенного метана на тонну угля. В августе 2006 г. было выброшено 560 т

угля и 25 200 м³ метана, т. е. 45 м³ выброшенного метана на тонну угля.

Количество выброшенного метана (рис. 1.1) значительно превосходит

максимальную оценку (22 м³/т угля) природной метаноносности пласта.

Несмотря на большое количество исследований, посвященных внезапным

выбросам угля и газа, в настоящее время нет полной ясности относительно

газового баланса внезапного выброса угля и газа. Непонятно, в какой форме

находится метан, выделяющийся при внезапных выбросах угля и газа. В чем

причина внезапности выхода метана и почему метан не высвобождается при

ведении дегазационных работ.

1.1.2. Природа и механизм внезапных выбросов угля и газа

Ведущими учеными исследовался [2, 3, 4, 6, 22–23, 32, 35, 46–49, 51–54, 58–

64, 85–91, 117] механизм зарождения состояний, из которых может развиться

внезапный выброс, определялись основные параметры, непосредственно

влияющие на выбросоопасность пласта и позволяющие точнее предсказывать

внезапный выброс. Над проблемой внезапных выбросов угля и газа работали

академики А. А. Скочинский, С. А. Христианович, А. Д. Алексеев (Украина),

М. В. Курленя, В. Н. Опарин, профессора А. В. Докукин, Г. Д. Лидин,

В. В. Ходот, А. Э. Петросян, Б. М. Иванов, Г. Н. Фейт, О. И. Чернов,

Е. С. Розанцев, В. Н. Пузырев, В. И. Мурашев, В. С. Зыков, И .В. Бобров,

В. И. Николин, А. Е. Ольховиченко, И. М. Петухов, А. М. Линьков, П. В. Егоров,

В. В. Дырдин, Б. Г. Тарасов, А. Т. Айруни.

Наряду с газовой гипотезой, модифицированной описанием сорбционных

процессов, рассматриваются [2, 3, 4, 6, 22–25, 35, 54, 58, 62–64, 82–91, 117]

гипотезы местной нарушенности и трещиноватости отдельных областей угольных

пластов, гипотезы о тектонических процессах перегревания угля и тектонической

концентрации напряжений, влияние концентрации напряжений вблизи горных

выработок на появление внезапных выбросов.

15

Между давлением газа в угольном пласте и опасностью пласта по

внезапным выбросам нет непосредственной связи, однако существует порог

газового давления в угольных пластах, ниже которого выброс не возникает.

Предвестниками внезапных выбросов являются: сдвижения вмещающих пород и

участка угольного пласта, усиление горного давления на крепь; треск, хлопки,

глухие удары, гул, доносящиеся из глубины массива; осыпание, шелушение,

стреляние, повышенное газовыделение; понижение температуры забоя и

угольного пласта [85].

Проф. В. В. Ходотом [85] определены закономерности и энергетические

параметры зоны предельного напряженного состояния угля. Оценена энергия

разрушения и отжима угля при продвижении забоя, при смене напряженных

состояний. Приводятся сведения о лабораторных экспериментах по

моделированию внезапных выбросов, в которых основным фактором

возбуждения выброса является внезапное изменение напряженного состояния

лабораторного образца. Фактор внезапности в натурных условиях проф.

В. В. Ходот связывает с резким изменением прочностных свойств или условий

залегания угольного пласта. Рассчитана работа разрушения угля с учетом

требуемой энергии для создания новых поверхностей разрушения и работы,

необходимой для отжима и сдвижения части пласта.

Академиком С. А. Христиановичем [62, 86–89] рассмотрено состояние

массива, предшествующее выбросу и отдельные этапы выбросов, исходя из

физических и математических моделей газонасыщенного пористого угольного

массива. С учетом фильтрационных свойств внутри угольного пласта рассчитан

градиент газового давления вдоль оси забоя. Внезапному выбросу угля и газа, по

мнению С. А. Христиановича, предшествует система ориентированных трещин,

плоскости которых параллельны фронту забоя. Сам процесс выброса

рассматривается как послойное отделение разрушенного угольного вещества за

счет сил давления сжатого газа, заключенного в порах. Основная роль в

возникновении выброса отводится газу, заключенному в угольных порах. В

качестве оценки возможности начала выброса, по его мнению, требуется

16

возникновение градиента газового давления порядка десяти атмосфер на 1 мм. На

основании современных экспериментальных данных [35, 54, 85] такая оценка

представляется несколько преувеличенной.

Несмотря на то, что модели, построенные проф. В. В. Ходотом и

академиком С. А. Христиановичем, достоверно отражают основные этапы и

закономерности явления внезапных выбросов, часть факторов ими не

учитывается. Не рассмотрен механизм возникновения системы ориентированных

трещин. Не уточняются механизм перехода в газовую фазу больших количеств

метана и возникающие при этом тепловые эффекты. Не затрагивается вопрос о

возможных формах связи метана с угольной матрицей. Отсутствует анализ

напряженного состояния вблизи забоя выработки, с учетом конечности размеров

и формы забоя.

Сравнивая теорию В. В. Ходота с положениями, высказанными академиком

С. А. Христиановичем, отметим, что по С. А. Христиановичу основным

энергетическим и силовым фактором происходящих внезапных выбросов угля и

газа является энергия свободного газа, сжатого в угольных порах до давления в

десятки атмосфер. Однако, исходя из энергетического баланса проф. В. В Ходота,

основные запасы энергии, реализуемые при внезапных выбросах угля и газа,

содержатся в упругодеформированных вмещающих породах краевой зоны

угольного пласта. Предполагается, что основным фактором выборосоопасности

является напряженное состояния выбросоопасного участка, но не решается

вопрос участия в нем метана. В настоящее время, даже с учетом приведенных

энергетических оценок, не построена детальная модель, описывающая механизм

образования и взаимодействия ориентированных трещин, а также роль различных

форм связи метана с угольной матрицей, приводящие к мгновенному переходу в

газовую фазу больших количеств метана.

На протяжении следующих десятилетий многими учеными были введены

уточнения и построены разнообразные теории внезапных выбросов,

определяющие в качестве ключевого тот или иной фактор, или предполагающие

одинаковое значение нескольких факторов. Исследовались виды напряженного

17

состояния призабойного объема, формы и количество содержащегося метана,

возникновение трещин и их влияние на напряжения и газосодержание. Данные

вопросы исследовались применительно к проблеме внезапных выбросов угля и

газа, а также сами по себе [3, 9, 13, 17, 20–26, 35, 46–49, 51–54, 58–59, 62–64, 82–

91, 96–99], как имеющие существенное значение для технологии ведения горных

работ.

В обзоре [117] австралийских ученых также обсуждается вопрос о причинах

и механизме внезапного выброса угля и газа. Для объяснения механизма

внезапного выброса угля и газа авторы обзора ссылаются на труды многих

ученых, в том числе на работы российских исследователей: В. В. Ходота (1951),

И. Л. Эттингера (1952), С. А. Христиановича (1953), А. А. Скочинского (1954).

Они также считают, что внезапный выброс является результатом одновременного

влияния нескольких факторов. Первый – это горное давление, приводящее к

разрушению краевой зоны угольного пласта, изменению фильтрационной

способности массива и перераспределению газового давления. Второй – высокое

содержание газа, быстрый выход газа из дополнительно образующихся

поверхностей при разрушении угля и при снижении механических нагрузок. Газ

также участвует в отбросе и выносе угля. Третий фактор – физические и

механические свойства угля, среди которых способность разрушаться при

механических нагрузках, скорость начального газовыделения и газоемкость угля.

Т. е. они повторяют положения, уже высказанные российскими учеными в

научной печати [79, 81–83].

В последние десятилетия в России и Украине вышло [3, 4, 16, 22–23, 35, 54]

несколько монографий, посвященных прогнозу и предотвращению

газодинамических явлений.

В работе 2013 г. [35] проф. Е. А. Колесниченко предполагается возможность

существования в угольных пластах метастабильных соединений метана, но в

работе не уточняются характер и свойства возможных метастабильных

соединений, условия их распада. Для выбросоопасных пачек угля характерен

матовый оттенок и очень маленькая прочность. Условием возникновения

18

выброса, по мнению автора, является наличие пропластков различной прочности.

Определяется связь мест, в которых произошли внезапные выбросы со складками

и разветвлениями пластов, наличием минеральных прослоек. В качестве прогноза

выбросоопасных состояний рекомендуется измерение начальной скорости

газоотдачи и выхода штыба при бурении опережающих скважин. То же

предполагается и в методе ВостНИИ, разработанном проф. В. Н. Пузыревым [91],

но данный метод, как показала практика, несет большой запас перестраховки.

В монографии, изданной в 2010 г., проф. В. С. Зыков [22] приводит

классификацию газодинамических явлений, а также подробный анализ средств и

методов прогноза газодинамических явлений, описывает технологию ведения

горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям, способы

предотвращения газодинамических явлений и внезапных выбросов угля и газа, а

также рассматривает контроль эффективности используемых мер.

В работе проф. В. В Дырдина [60] для экспериментального определения

потенциально выбросоопасных зон исследуется распределение удельного

электрического сопротивления и естественного потенциала электрического поля в

краевой зоне выбросоопасного угольного пласта. Однако у авторов отсутствует

анализ распределения газового давления и температуры в угольных пластах,

необходимый для построения надежного прогноза выбросоопасности.

Вышедшие в Донецке в 2000 и 2010 гг. [3, 4] монографии чл.-корр. НАН

Украины А. Д. Алексеева и соавторов посвящены возникновению неустойчивости

системы, состоящей из сжатого метана и угольного вещества, находящегося в

поле механических напряжений. Исследуется распределение напряжений вблизи

краевой зоны угольного пласта и влияние напряженного состояния на десорбцию,

и фильтрацию метана. Проведены рентгеноструктурные исследования аморфно-

кристаллической структуры угля, описаны результаты анализа пористой

структуры угля методами малоуглового нейтронного и рентгеновского рассеяния,

сделаны ЯМР исследования [3, 4, 103, 104, 118] молекул метана, находящихся в

угольной матрице. Несмотря на существенный объем исследований структуры

угля и закономерностей поглощения метана, акад. А. Д. Алексеев ограничивает

19

возможные формы связи метана с угольным веществом свободным,

сорбированным и растворенным в угольной матрице, не уточняя возможность

возникновения метастабильных соединений метана. В этой связи остается

неясным механизм участия различных форм метана в формировании

газодинамических явлений.

Высказанные гипотезы и построенные теории во многом совпадают между

собой, но имеют и существенные отличия. Это косвенно свидетельствует о том,

что сущность данного явления пока еще не выявлена окончательно. Практически

отсутствуют физико-химические исследования возможных связей метана с

угольной матрицей и механизм лавинообразного перехода метана в газовую фазу.

Все исследователи согласны с тем, что содержание метана, местная нарушенность

пласта и перераспределение механических напряжений вблизи фронта забоя

являются основными факторами, приводящими к возникновению внезапных

выбросов угля и газа.

1.1.3. Методы прогноза и способы предотвращения внезапных выбросов

Целью исследования механизма внезапных выбросов угля и газа,

безусловно, является разработка технологических способов прогнозирования и

предотвращения внезапных выбросов угля и газа. Но так как в настоящее время

нет полного и общепринятого представления о механизме протекания внезапных

выбросов (по крайне мере на молекулярном, физико-химическом уровне), то для

прогноза выбросоопасности применяют комплексные показатели [22–24, 32, 35,

45–49, 58, 63, 85–91]. Определяющими факторами, на которых основан прогноз

выбросоопасности, являются величины, характеризующие: прочность и

нарушенность угольного пласта, мощность и механические свойства угольных

пачек, условия залегания пласта, наличие тектонических нарушений, общее

газосодержание и скорость начального газовыделения, скорость бурения и

количество выходящего из скважины штыба при бурении, размер зоны влияния

выработки и величина концентрации напряжений, степень метаморфизма, а также

другие параметры.

20

На основании обобщения экспериментальных данных (натурных

наблюдений) строятся корреляционные модели, вычисляется вес каждого

измеряемого показателя и диапазон значений величин, при которых возможен

внезапный выброс угля и газа. Определяется достоверность принятой модели,

минимизируются ошибки предсказания внезапных выбросов. Не все методы,

повышая достоверность прогноза, могут избежать излишней перестраховки.

В процессе ведения горных работ [12, 24, 35, 45-49, 63–64, 90–91] на

пластах опасных и угрожаемых по внезапным выбросам угля и газа ведется

регулярный мониторинг и измерение величин, входящих в комплексный

показатель. На основании расчетов принимается решение о следующем шаге

продвижении выработки. В случае если комплексный показатель предполагает

текущее состояние угольного пласта как опасное по внезапным выбросам угля и

газа, проводятся противовыбросные мероприятия.

Методы прогноза и предотвращения внезапных выбросов делятся на:

1) региональные, когда признак угрожаемым по внезапным выбросам

присваивается угольным пластам, а противовыбросное мероприятие

распространяется на весь угольный пласт при ведении подготовительных или

очистных работ; 2) локальные методы прогноза и способы предотвращения

внезапных выбросов, при которых анализируется состояние и планируется

воздействие на отдельный участок угольного пласта впереди забоя очистной или

подготовительной выработки; 3) текущий прогноз и текущие мероприятия,

которые необходимо производить в краевой зоне выбросоопасного угольного

пласта.

В качестве региональных мер предотвращения внезапных выбросов угля и

газа [22–24, 35, 60–61, 90, 94] применяются: разгрузка пласта посредством под-

или надработки угольных пластов, дегазация пласта и нагнетание воды через

длинные скважины, пробуренные по пласту. К локальным методам относятся

бурение опережающих разгрузочных или дегазационных скважин из забоя

выработки, нагнетание воды в режиме низконапорного увлажнения или

гидрорыхления, гидровымывание опережающих полостей и щелей; гидроотжим

21

угольного пласта взрывное рыхление угольного пласта через скважины и длинные

шпуры, управление кровлей и возведение опережающей крепи. При проведении

противовыбросных мероприятий существенно снижается скорость продвижения

забоя выработки, что также снижает вероятность внезапного выброса угля и газа.

Каждое из прогнозных и противовыбросных мероприятий увеличивает

экономические затраты на ведение горных работ в связи с дополнительными

затратами труда и материалов и в связи со снижением средней скорости

продвижения выработок. Фактически используемые в настоящее время

технологические приемы прогноза выбросоопасности опираются на

макроскопические характеристики угольного пласта в краевой зоне, для которых

экспериментально установлена корреляционная связь с возможностью

возникновения внезапных выбросов угля и газа. А противовыбросные

мероприятия в основном нацелены на снижение концентрации механических

напряжений в пласте или уменьшение газового фактора.

Для разработки более эффективных технологических решений необходимо

уточнение свойств и видов связи молекул метана в угольной матрице, а также

детальное описание состояния отдельных зон угольного пласта, в которых может

зарождаться внезапный выброс угля и газа.

1.1.4. Детали теории внезапных выбросов угля и газа, требующие уточнения

Построение теории, полностью описывающей механизм возникновения

выбросоопасных состояний, позволит точнее прогнозировать и эффективнее

предотвращать внезапные выбросы угля и газа, возникающие при подземной

разработке угольных пластов. До настоящего времени основное внимание

исследователей было сосредоточено на макроскопическом уровне описания,

включающем в себя механические характеристики выбросоопасного пласта и

пропластков, условия залегания и газоемкость, макроскопический энергетический

баланс и параметры разрушения и отброса угля. В то же самое время не

достаточно изучены физико-химические процессы, протекающие в угольном

22

пласте на молекулярном уровне, не исследовано состояние угольного вещества и

метана и возможные виды их взаимодействий.

Необходимо уточнить механизм лавинообразного перехода в газовую фазу

больших количеств метана при внезапных выбросах угля и газа. Заметим, что при

бурении дегазационных скважин метан практически не выходит через стенки

скважин и почти полностью остается в угольном пласте. Требуется определить

возможные формы связи метана с угольной матрицей и причины значительного

роста площади внутренней поверхности, разграничивающей газообразную фазу

метана и твердую фазу угольного вещества.

Рост межфазной поверхности непосредственно связан с образованием

системы ориентированных изолированных газонаполненных трещин, которую

акад. С. А. Христианович принимал в качестве отправной точки для построения

теории, описывающей волну дробления, распространяющуюся внутрь угольного

пласта. По мнению акад. С. А. Христиановича [86–89] наличие трещин

предшествует внезапному выбросу угля и газа, однако он не установил механизм

и закономерности образования системы трещин в краевой зоне угольного пласта.

Не определены размеры, ориентация и суммарный объем возникающих трещин,

условия их прорастания.

Некоторые исследователи [2, 3, 4, 35, 51–53, 100] предполагают

существование метастабильных соединений метана в угольной матрице, но не

уточняют конкретных возможных химических форм, в которых может

участвовать метан. Нет экспериментальных данных о возможности

существования тех или иных метастабильных соединений в угольных пластах.

Высказаны предположения [9, 17, 20–21, 39, 43, 53, 76, 102] о возможности

образования газовых гидратов метана в угольных пластах и влияния

кристаллогидратных соединений метана на возникновение внезапных выбросов

угля и газа. Данные предположения основываются на свойствах самих газовых

гидратов и термобарических условиях в угольных пластах. При этом не изучены

вопросы взаимодействия кристаллов газовых гидратов с развитой поверхностью

угольного вещества. Это взаимодействие может влиять и на количество метана,

23

вовлекающегося в образование гидрата и на термобарические условия, при

которых происходит разложение газовых гидратов.

1.2. Метан и его содержание в угольных пластах

1.2.1. Формы связи метана с угольной матрицей

В процессе метаморфизма угольного вещества на каждую тонну угля

образуется до 300 м³ газообразных веществ [2–4, 28–30, 35, 44, 68, 85, 100–101], в

основном это углекислый газ, метан и азот. Происхождение углекислого газа

может быть связано как с химической трансформацией первоначального

органического вещества, так и с окислением растительных остатков кислородом

воздуха, диффузионно проникающим в горные породы. Азот имеет только

атмосферное происхождение, и на глубоких пластах содержание азота

пренебрежимо мало. Метан образуется практически только в процессе

метаморфизма угольного вещества. На начальных стадиях углефикации

происходят как биологические (микробные) преобразования растительных

отложений, так и химические процессы. Когда угольный пласт сверху

покрывается осадочными породами и погружается на глубину, внутри пласта в

основном происходят химические процессы метаморфизма, вызванные

термодинамическими условиями залегания пласта [2, 100].

На ранних геологических стадиях метаморфизма выделяется много

углекислого газа. Углекислый газ хорошо растворяется в воде [5, 13, 83],

фильтрующейся через угольный пласт, он способен реагировать со щелочными

породами, окружающими угольный пласт, вследствие этих причин СО2 легко

покидает угольный пласт. Чаще всего современное содержание углекислого газа в

угольных пластах достаточно мало.

За геологические времена большая часть метана, образованного в процессе

метаморфизма угольного вещества, покидает угольный пласт, при этом в пласте

все еще остается значительное количество метана. Современная метаноносность

угольного пласта, т. е. количество метана, которое содержится в единице массы

угля, зависит от тектонических и геологических условий залегания пласта,

24

свойств вмещающих пород, газодинамических процессов, протекающих в массиве

горных пород, содержащих угольный пласт, от физико-химических свойств

угольного пласта и характера взаимодействия метана с угольной матрицей.

Наряду с метаном в угле может содержаться сероводород, этан, пропан, другие

легкие углеводороды, доля этих газов в сумме не превосходит нескольких

процентов [2–4, 85, 100].

Природная метаноносность [22–24, 35, 44, 85, 91, 100] угольных пластов

возрастает с увеличением глубины залегания. В Кузбассе в диапазоне глубин 300–

500 метров наблюдается наибольший прирост метаноносности, при дальнейшем

увеличении глубины метаноносность изменяется медленнее. В среднем, можно

считать, что на нижней границе залегания прогнозная метаноносность углей

составляет: в газовых углях 20–22 м³/т; в жирных и коксовых углях 25–30 м³/т; в

тощих угля и антрацитах 35–44 м³/т.

Пластовое давление метана, в среднем, линейно зависит от глубины [12, 31–

32, 44, 50] и для разных пластов находится в диапазоне γH14.0 , где γH –

горное давление ненарушенного пласта, а именно 3мH00025γ - средний

удельный вес горных пород, а H (м) – глубина залегания пласта от дневной

поверхности. Измерение проводится по установившемуся давлению внутри

пробуренной в пласт и герметизированной скважине. Такой способ измерения

давления, по мнению акад. С. А. Христиановича, вносит систематическую

ошибку [62], занижая фактическое давление газа в нетронутом угольном пласте.

Давление газа в угольных пластах не может превосходить местного горного

давления ненарушенного пласта.

Используя термин «углеметановые пластовые месторождения полезных

ископаемых», горные инженеры [44] подчеркивают промышленную значимость

обоих компонентов месторождения. Обсуждаются способы добычи метана из

угольных пластов. Ресурсы метана в угольных месторождениях России [44] в

пересчете на условное топливо занимают четвертое место после запасов угля,

нефти и природного газа и составляют порядка 25 трлн. м³.

25

При современном состоянии технологии ведения горных работ метан чаше

всего рассматривается [2–4, 22–26, 44–49, 51–56, 85–91] как побочный и опасный

продукт горного производства, особенно при подземной добыче полезных

ископаемых. Внезапные выбросы угля и газа являются одним из примеров

опасных газодинамических явлений с участием метана, которые не могут быть

полностью объяснены в рамках существующих представлений о метане в поровой

структуре угля.

Свободный метан находится в газообразном состоянии внутри открытых и

закрытых пор, размеры которых больше или соизмеримы с длиной свободного

пробега молекул, рассчитанной для термобарических условий, при которых

находится газообразный метан в угольных порах. Некоторое количество метана

сорбируется на внутренней поверхности пор угля, а также в микропорах, размер

которых сравним с характерным размером молекул метана. Часть метана

растворяется в твердом угольном веществе.

Большой вклад в изучение форм нахождения метана в угольном веществе

[2, 67, 85, 100] внесли академик А. А. Скочинский, профессора И. Л. Эттингер,

А. Т. Айруни, В. В. Ходот. Актуальность данной задачи подтверждают [3, 4, 103–

105] современные исследования чл.-корр. НАН Украины А. Д. Алексеева,

который ввел в рассмотрение понятие закрытых пор в угле, т. е. пор, у которых

отсутствуют диффузионные каналы к поверхности частиц угля.

Практически все исследователи [2–6, 19, 22–25, 53–54, 68, 85, 96–100, 103–

104], проводя оценки количества метана, находящегося в виде свободного газа,

абсорбированного на поверхности и адсорбированного в объеме твердого

вещества, приходят к выводу, что в природных углях реальное содержание метана

часто превосходит данные оценки. Поэтому необходимо искать другие формы

связи метана с угольной матрицей. Предполагается [9, 17, 20–21, 25–26, 40–53,

75–76, 96–99, 102] возможность нахождения метана в виде клатратных

соединений по типу газовых гидратов, которые образуются из метана и

природной влаги при подходящих термобарических условиях.

26

1.2.2. Особенности структуры природного угля

Ископаемый уголь образуется из остатков растений, которые сначала

попадали в водную среду, затем были покрыты слоями осадочных пород. Под

воздействием высоких давлений и температур происходил процесс

трансформации [2–4, 28–30, 66, 68, 85, 100] первичных осадков в угольное

вещество, который называется метаморфизмом или углефикацией. На некоторых

стадиях метаморфизма первичное вещество проходит состояние коллоидного

раствора, в котором мелкодисперсная фаза (10–7

÷10–9

м) находится во взвешенном

состоянии в другой фазе – дисперсионной среде, отличающейся по среднему

химическому составу. На начальных стадиях метаморфизма дисперсионной

средой является водный раствор, затем, взаимодействуя с органическими

остатками, эта среда превращается в твердый углеводородный полимер.

С середины XX века рассматривается [4, 28–30, 33, 66, 85] более 50 моделей

строения органической массы угля на молекулярном уровне, имеющих похожие

черты и некоторые особенности. Модель твердого полимера по П. П. Кобеко