Первопричина взрывов
Продолжение. Начало в №5 журнала «Уголь Кузбасса»
По теории авторов, неожиданные взрывы в шахтах вызываются внезапным поступлением больших масс скопившегося в недрах глубинного мантийного газа в отработанные пространства из прилегающих площадей по обновленным в процессе разработки месторождений трещинам (неотектоническим).
И этот газ является единой, первостепенной, системной первопричиной самопроизвольного взрыва в шахтах для всех угольных бассейнов мира.
Состав газа
В момент взрыва в шахтной атмосфере находятся метан угольных пластов и (глубинный, эндогенный) мантийный газ. Они разные по своей природе, составу и взрывным свойствам. Метан угольных пластов находится в сорбированной и свободной формах.
Сорбированный метан подразделяется на абсорбированный и адсорбированный. Абсорбированный метан в угольных пластах (угле) находится в кристал-лографической форме в межмолекулярном пространстве, являясь неотъемлемой частью угля (так называемый «твердый раствор»). При добыче угля и его транспортировке он не выделяется в шахтную атмосферу и не влияет на взрывоопасность подземных выработок.
Адсорбированный метан в угле заключен в изолированных, не связанных между собой микротрещинах и микропорах. Этот метан при добыче и последующей транспортировке частично выделяется в шахтную атмосферу по ламинарному закону, то есть без взрывных явлений.
Свободный метан в угле и вмещающих горных породах локализован в сообщающихся между собой трещинах и при добыче полностью поступает в атмосферу шахт и удаляется вентиляцией. Угольный метан — моногенный газ, в нем других газов нет или содержится в минимальном количестве.
Глубинный газ полигенный, состоит из смеси метана и его гомологов (углеводородных газов: этана, пропана, бутана, гексана) и водорода. Кроме того, в нем обычно присутствуют углекислый газ, азот, сероводород и редкие газы (гелий, радон и другие).
В составе метановых газов Сыромолотненской площади Кузбасса, по данным нефтяной разведки, содержится этан (4,7%), пропан (0,9%) и бутан (0,4%), редких газов до 8,7%. Представлены и изучены эти газы и в глубоких скважинах №10000 и №8790 (глубина до 2,4 км), расположенных на небольшом удалении от полей шахт «Сибиргинская», «Томская», имени Шевякова, «Распадская».
На Абашевском куполе количество гомологов метана в таких скважинах доходит до 10%, и с глубиной оно увеличивается. Особое внимание привлекает водород, который без цвета, запаха и вкуса с удельным весом 0,069 г/см3 и в 14,5 раза легче воздуха. Газовая смесь, содержащая от 4,0 до 74% водорода, является взрывчаткой, а содержащая более 74% горит спокойно.
Водород взрывоопаснее метана, так как он взрывается при содержании в рудничной атмосфере уже равном 4,0%. Температура воспламенения его на 150-200°С ниже, чем метана. Диффузия водорода в твердых телах многократно (на порядки) превышает скорости диффузии других газов. Струйная водородная дегазация отмечена на всех континентах планеты.
На Русской платформе она имеет грандиозные масштабы. Выходы струй водорода на поверхности диагностируются провальными воронками — результат прорыва водорода.
Очень интересны исследования потоков водорода и метана на Хибинском массиве Кольского полуострова, магматические породы которого выделяют огромные массы метана, тяжелых углеводородов, водорода, азота и других газов. Здесь в течение трех лет (2005-2007 годы) был выполнен поминутный мониторинг концентрации подпочвенного водорода, который установил, что максимальное количество газа было в полнолуние и новолуние. 26-27 апреля 2005 года (год взрывов шахт России, Украины, Казахстана, Китая) в полнолуние водородный датчик зафиксировал пиковые значения водорода. При этом выяснилось, что эпизодически газовые потоки могут усиливаться в сотни тысяч раз!
Водород в Кузбассе впервые был определен в 1946 году в лавах ряда шахт и разведочных скважин. Повышенное содержание водорода в составе природных газов было обнаружено в Кемеровском, Плотниковском, Байдаевском районах Кузбасса. На шахте «Алардинская» в скважине №3087 содержание водорода составило 35%, а на участке Бунгуро-Листвянском в скважине №2556 — до 58%. Максимальный процент водорода в газе бассейна — 87,2%. Найден водород в подугленосных отложениях нижнего карбона и девона.
Проблема «искры»
В связи с поисками при расследовании аварий «искры» следует отметить, почему «не сработали» установленные автоматические системы предупреждения и предотвращения трагедий ни на шахте имени Засядько в Украине, ни на шахте «Ульяновская» и других шахтах в Кузбассе?
Дело в том, что отключение электроэнергии в шахте блокирующими искрообразование системами — не решение проблемы, поскольку при внезапном большеобъемном выбросе глубинного газа в шахту всегда происходит самовозгорание, вернее сказать, самовзрывание смеси метана шахты и поступившего из недр газа с водородом. Происходит детонация газовой смеси. Поднявшийся вместе с большим количеством метана водород и тяжелые углеводороды (пропан, другие газы) при резком падении давления служат идеальным «запалом».
«Искра» заключена в самом процессе реализации газодинамического явления — взрыве. Любые современные системы газового мониторинга (Devis Dегbу, все другие), когда происходит внезапный масштабный (сотни тысяч кубометров) вброс глубинного метана в отработанное пространство шахты, отключения электроэнергии по определению не могут предотвратить начавшийся процесс взрыва. Вот почему всегда взрывы неожиданны, непредсказуемы.
Весьма убедительным свидетельством тому, что «искра» находится «внутри» прорывающегося газа, является случай, произошедший при разведке поля шахты «Ольжерасская-Новая» в последних числах апреля 2008 года (за 2 года до трагедии на шахте «Распадская»). Скважина №11020 на глубине 760-770 м достигла пласта №5-6 и при скважинных испытаниях на вышележащем пл. 7-7а и переходе к пл. №5-6 под буровую из устья скважины по затрубному пространству начала поступать желтоватая пенообразная масса из бурового шлама, промывочной жидкости (воды) и газа, которая быстро накапливалась у устья скважины под зданием буровой. Была отключена электроэнергия и подача воды в скважину, но пена продолжала интенсивно поступать из скважины. После покидания рабочими буровой, хлопка (взрыва) в буровой, сгорания здания газ через шарошку уже по буровому снаряду продолжал проникать к дневной поверхности, разорвал шланг у места его соединения с буровой штангой и образовал в месте разрыва шланга факел высотой до 2,5 м.
Состав газа: метан — 78.89%, азот-16.53%, кислород — 5.12%. Скважина явно попала в «слепое скопление газов», находящееся под давлением более 70 атмосфер. Газ с глубины 760-770 м достиг дневной поверхности и взорвался, как предположили при расследовании, от «топившейся печки». Газ выделялся из скважины 14 лет, как и из ранее пробуренных рядом при разведке. В данном случае обратим внимание на то, что электроэнергия на скважине была выключена, человеческий фактор отсутствовал (люди успели покинуть буровую), но газ вспыхнул.
Набирается много фактов, свидетельствующих, что высокоэнергетическая природная система внезапного прорыва свободного газа из ловушки в шахту, буровую — самовзрывающаяся (фото 1).
В скважине №10000 (Распадская Глубокая) в газе зафиксирован при бурении водородный показатель 8,2 мг/дмз. Поступление газа из недр к поверхности с глубины более 2,4 км продолжается более 20 лет с водой, и выделяется он из нее у поверхности. Динамика выделения газа меняется (фото 2).
Предвестники подготовки подшахтного массива к внезапному прорыву глубинных газов в шахты известны. Одним из них является изменение состава газов в шахте.
Проникая в шахту, поток смеси глубинных углеводородных газов изменяет ее воздушно-метановую атмосферу. В ней появляются этан, пропан, бутан, гексан и водород. Кроме них, могут появиться гелий (индикатор глубинного происхождения), углекислый газ, сероводород и редкие газы.
Уловленное изменение элементно-химического состав шахтной атмосферы — это свидетельство того, что шахта находится в поле воздействия эмиссии глубинных газов. Восходящий эмиссионный поток флюидов также изменяет сейсмическое поле шахтного горного массива. Массив начинает изменять динамическую устойчивость. В нем появляется «сейсмический шум» — микросейсмы.
Регистрация на шахте «сейсмического шума» и слабых землетрясений — второй предвестник подготовки внезапного взрыва. Об этом же свидетельствует аномальная деформация почвы шахтных выработок: вспучивание, водообильность, газовыделение и другое.
Предвестником трагедии является и изменение теплового поля в шахтном горном массиве. Вынос глубинного газа в шахту — это и вынос энергии, тепла. Почва шахты реагирует на тепло проникающего флюидного потока, а замеры температуры в скважине могут указать на рост геотермического градиента, что определяется подтоком газа.
Предвестником является локальная роевая техногенная сейсмическая активизация недр, которая впервые была установлена выполненными детальными работами, в 2005 году (район Осинники) и в 2007-2008 годах на шахте «Полысаевская» (Ленинск-Кузнецкий). Она связана с подземной добычей угля.
В процессе добычи угля комбайнами в Бреевской и в Толмачевской лавах и подготовительных работ для добычи угля в Надбайкоимской лаве шахты «Полысаевская» зарегистрированы сотни (!) землетрясений малого энергетического класса (до 25 микроземлетрясений в день).
Землетрясения сгруппированы в рои, диаметр окружности которых включает в себя все землетрясения роя — до 10 км, нижняя граница роя — до З км. Продвижение лавы тянет за собой участок активизации недр.
Установлено, что количество землетрясений напрямую связано с интенсивностью добычных работ в лаве. Прекращение работ в лавах ведет к ослаблению, а их возобновление — к усилению сейсмического процесса. Такой роевой характер наведенной сейсмичности — это адекватный ответ геологической среды (углепородного массива — УПМ) на внешнее воздействие.
Под лавами УПМ испытывает серьезную структурно-вещественную и энергетическую перестройку. В нем в силу многочисленных землетрясений, гипоцентры которых расположены во всем активизированном массиве горных пород, образуются разрывы и многочисленные трещины, частью проникающие в лаву, которые становятся активными каналами миграции эндогенных газов: метана, углекислого газа, водорода, гелия, радона, воды и тепла недр. Поднимаясь в выемочные участки шахт, флюидный поток, в силу своей высокой химической активности и агрессивности, изменяет физико-механические параметры пород кровли и почвы.
То, что наведенная локально-объемная сейсмическая активизация недр так чутко реагирует на процесс изменения технологии шахтной угледобычи (ускоряя, замедляя, интенсифицируя), можно не сомневаться. Она со своей стороны будет активно участвовать и в процессах деформирования, дезинтеграции горных пород, изменения поля напряжений, формирования газовых коллекторов и ловушек, спонтанного выделения метана из УПМ, расположенного ниже и на удалении от выемочного участка шахты, и влиять на геомеханические, газодинамические процессы в горном массиве. Работа шахты вызывает под лавой активизацию вертикальной объемной зоны трещиноватости геологической среды на глубину более километра, создает каналы подтока глубинных газов, может вскрыть «газовый пузырь», из которого эндогенному газу по подготовленному каналу прямой путь в шахту.
Техногенные активизации на угольных шахтах мира не единичны. На шахтах Чехии они изучаются и контролируются многие годы. Там выходят на практические результаты в части безопасной угледобычи. Определяются места в шахтах, где ожидаются горные удары, и даются рекомендации по предварительной опережающей разгрузке массива.
На шахте «Распадская» роевая активизация недр части горного массива шахтного поля наблюдалась даже после того, как добыча угля прекратилась. Продолжающаяся миграция глубинного газа не давала углепородному массиву войти в устойчивое равновесие.
Информативным предвестником взрыва в шахте является заметное повышение перед взрывом концентрации метана в атмосфере шахты. Все расследования причин взрывов показывают, что до взрыва (недели, дни) наблюдается повышение допустимой нормы концентрации метана в атмосфере шахт. Расследование причин взрыва на шахте «Листвяжная» (25 ноября 2021 года) однозначно установило, что по меньшей мере за день до взрыва «концентрация метана не просто превышала допустимую норму, а была взрывоопасной. Повышение концентрации метана отнесли на счет плохой работы вентиляции, хотя она нормально работала с момента взрыва 28 октября 2004 года, то есть почти 17 лет. Рост же концентрации метана стал происходить вследствие того, что в шахту начал проникать глубинный газ через подновленные трещины, которых, по утверждениям работников, было зафиксировано не менее семи и у которых «эпизодически в лаве происходили возгорания метана на почве, и они использовали огнетушители».
Следовательно, мы имеем случай, когда предвестник (возгорание почвы) информировал службу контроля о подготовке взрыва шахты и участии в нем глубинного газа.
Выводы
Шахты в Кузбассе, равно как во всех угольных бассейнах мира, неожиданно взрываются потому, что в их газовый режим агрессивно и действенно вмешивается глубинный (мантийный) газ, поднимающийся по каналам дегазации из недр Земли к поверхности в составе флюидопотоков. Шахты взрываются внезапно, непредсказуемо, неожиданно для технического персонала и служб газового контроля потому, что непрогнозируемо, внезапно и в большом количестве мантийный газ периодически, импульсно по каналам подтока из газовых природных ловушек под большим давлением, как из шприца, прорывается в шахтное пространство, в лаву, шахтную атмосферу и самовзрывается.
Чтобы предотвратить внезапные большемасштабные взрывы газа в шахтах с большими человеческими жертвами, необходимо изучить условия и особенности его накопления, каналы подтока и перетока больших порций мантийного газа в отрабатываемом горном массиве и исключить (устранить) его появление в выработках.
Внезапные взрывы газа в шахтах — это крупномасштабные импульсные вбрасывания мантийного газа и эндогенной земной энергии в лавы шахт из законсервированных скоплений, сформированных при дегазации в недрах. По существу, под шахтами при дегазации формируются под высоким давлением «газовые бомбы» в виде «газовых мешков», «газовых пузырей», изолированных газово-купольных структур, газовых ловушек. Задача специалиста, связанного с работой шахт, вовремя обнаружить, нейтрализовать, удалить, утилизировать такие «спящие» локальные залежи скопившегося гремучего газа.
Гигантский локализованный вынос глубинного газа к поверхности Земли в угольных бассейнах мира столь огромен и столь же огромна его роль в преобразовании вещества угольной части осадочной толщи, что смена парадигмы углефикации, а с ней и принятие новых подходов к решению проблемы внезапных взрывов не имеют альтернативы.
Чтобы программа безопасности угледобычи в Кузбассе, основанная на выводе, что доминирующим агентом возникновения внезапных масштабных выбросов и взрывов газа на шахтах является мантийный газ глубинной дегазации, была реализована, необходима разработка инновационной безопасной технологии угледобычи. Нужно сформировать для ее разработки современную научную базу, опираясь на накопленные результаты фундаментальных многолетних исследований дегазации Земли и работу шахт.
Общее теоретическое обоснование такого подхода решения проблемы взрывов имеется и при переходе в практическую плоскость, безусловно, необходимо выполнить большой объем работ, включающих в себя: научно-исследовательские работы (НИР), целевую переинтерпретацию накопленных геолого-геофизических материалов, полевые работы, обобщение полученных результатов и подготовку «Методического руководства».
Окончание в следующем номере
Виктор Ашурков, Игорь Евдокимов