Комбинированные явления
Внезапные выбросы угля и газа имеют место практически во всех угольных бассейнах. Первый выброс отмечен в Донбассе в 1906 г. на шахте Новая Смолянка при вскрытии пласта h7)- на глубине 728 м. К настоящему времени здесь зарегистрировано несколько тысяч выбросов.
Выбросы угля и газа происходят в процессе проведения горных выработок в угленосной толще при сочетании определенных физических свойств, химического и петрографического составов и напряженного состояния угля и пород, наличия газа. Основными условиями для возбуждения и развития процесса являются: высвобождение при внезапном разрушении угля потенциальной энергии, которой достаточно для смещения и разрушения горючего ископаемого: большая скорость разрушения твердого топлива; значительное давление газа. Достаточной энергией для внезапного выброса обладают многие газоносные угольные пласты, но не все они выбросоопасны Если газ выделяется из пласта постепенно и этот процесс растягивается во времени, то, несмотря на высокий запас энергии газа, развиваемая мощность может оказаться недостаточной для того, чтобы возбудить выброс. В выбросоопасном пласте уголь должен обладать способностью к быстрой газоотдаче. Скорость движения угля может быть различной - от небольшой, при которой горняки успевают покинуть выработку, до мгновенной, при которой они могут быть засыпаны углам на рабочих местах.
Количество выброшенного угля иногда достигает сотен и тысяч тонн Пустоты весьма разнообразны по форме /грушевидная, эллипсоидная или неправильная/, они имеют суженную горловину, расширяются кверху и переходят в свод /рис.73 /. На пологих пластах пустоты ориентированы по падению или с уклоном к горизонту. Масштабы выбросов зависят от размеров зоны нарушенного угля, мощности пласта и условий сопротивления движению углегазового потока.
Рис. 73
Выбросы угля и газа приурочены к зонам тектонических нарушений /небольшие складки и разрывы мощностью 25-50 м/. Взрывоопасные угольные пласты характеризуются повышенной трещиноватостью, перемятостью, рыхлостью, пониженными прочностными свойствами /предел прочности на сжатие до 7.6 МПа, на растяжение - до 0.28 -МПа/, сложным строением со следами внутрипластовых подвижек.
По внешнему виду угли тускло-свинцовые, полуматовые и матовые, хрупкие; относятся к маркам от Г до Т с выходом летучих от 36,0 до 3,5% и низким содержанием серы. Они значительно газонасыщены /более 10 м3/т/, при выбросах происходит выделение значительного количества газов, объем которых превышает природную метаноносность топлива. Давление газа не ниже 6 МПа, иногда достигает 76 МПа. Состав газов, %:
метан - 70-96, азот - 0,5-3, оксид углерода /1У/ - 0,3-2,0; присутствуют тяжелые углеводороды. Мощность выбросоопасных пластов - не менее 0,2 м. С увеличением мощности пласта частота и сила выбросов возрастают. Глубина появления выбросов превышает 150 м. С ростом степени метаморфизма углей и угла падения пласта они перемещаются ближе к поверхности. В кровле и почве большинства выбросоопасных пластов залегают прочные песчаники и алевролиты.
При проведении взрывных работ сотрясение массива создает благоприятные условия для глубинного разрушения угольного пласта и образования трещиноватых опасных зон. В такой обстановке произошел крупнейший в мире выброс угля и газа на шахте им. Гагарина /14 тыс.т угля и свыше 250 тыс.м3 метана/. Выброс развился через отверстие с площадью сечения 5 м2, полость выброса имела вытянутую форму размером 100 х 148 м. В Донбассе наиболее выбросоопасны угольные пласты h7, h8, h10, K3, K8, l3, l4, m3.
Выбросы пород и газов зарегистрированы в глубоких шахтах основных геолого-промышленных районов Донбасса. Они возникают при наличии взрывного импульса, который к статическим нагрузкам вокруг горной выработки, расположенной в напряженном массиве, добавляет динамические, что приводит к отрыву части массива. Этот процесс сопровождается деформациями пород и перераспределением напряжений в них вокруг выработки. Величина и характер деформаций пород определяются суммой статических и динамических напряжений, интенсивностью ударной волны, взрывного импульса, давлением газа, особенностями тектонических процессов, поведением пород при уплотнении, петрографическим составом и особенностями залегания толщи. Основное количество выбросов отмечено на крыльях и в сводах пологих небольших антиклиналей, которые расположены в тектонических блоках, ограниченных надвигами или флексурами, в крупно- и среднезернистых кварцевых песчаниках с кремнеземистым цементом, характеризующихся высокой метаноносностью и способностью к хрупким деформациям, в зоне развития углей марок от Г до КС. Выбросы чаще всего происходят из кровли горных выработок с образованием куполообразных сводов. Масштабы выбросов варьируются от 10 до 2 тыс. т и более. Интенсивность выделения газов не превышает 5-6 м3/г. Выбросы в стволах шахт направлены снизу вверх и представляют собой заполненные обломками песчаника пустоты, незначительно выходящие за пределы контура ствола. Минимальная глубина проявления выбросов 700 м. С ростом глубины сила и частота выбросов увеличиваются. Давление газов составляет 0,5-0,9 гидростатического давления /на шахте Петровская-глубокая отмечено давление 100 МПа/. Состав газов, %: метан - 03,8-95,1, тяжелые углеводороды - 2,1 /преобладает этан/. В большинстве случаев ближайшие к выбросоопасным песчаникам угольные пласты опасны по внезапным выбросам угля и газа, суфлярным метановыделениям. Участки проявления выбросов пород и угля в пространстве в общем случае совпадают.
Прогноз внезапных выбросов газа, угля и пород выполняется на стадии детальной разведки и доразведки шахтных полей на основании анализа геологических и гидрогеологических факторов. В угольных пластах определяющими факторами являются мощность, прочность, степень /коэффициент/ тектонической перемятости /отношение суммарной мощности тектонически нарушенных пачек ко всей мощности пласта в точке замера/, строение /определяется количеством прослоев угля и породы мощностью свыше 0,01 м/, обводненность пласта и др.
В Донбассе к выбросоопасным отнесены пласты угля прочностью менее 1,96 условных единиц по шкале Протодьяконова с коэффициентом тектонической перемятости более 0,86, газоносностью горной массы свыше 9 м-/т, влажностью менее 4-6%. Выбросоопасность возрастает с увеличением мощности, глубины залегания, сложности строения пласта и с уменьшением степени метаморфизма от матовых /дюреновые/ к блестящим /клареновые/ углям.
Интересна установленная зависимость между частотой внезапных выбросов и положением Луны на орбите и ее фазой. Как и для возникновения землетрясений и активизации вулканической деятельности, наиболее благоприятные условия для проявления внезапных выбросов газа, угля и породы складываются при совпадении новолуния или полнолуния с моментом прохождения Луны через перигей. Число случаев возрастает в 4,6 раза по сравнению с тем периодом, когда Луна находится в первой или последней четверти и в апогее.