Первопричина взрывов
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. Принятое ныне представление, что основные причины взрывов в шахтах — это человеческий фактор, «искра», нарушение ТБ не дают ответа на вопросы: откуда одномоментно появляется в шахте столь огромное количество самовзрывающегося газа, почему взрыв всегда неожиданный, почему периодичен, цикличен. Указываемые в расследованиях причины крупных трагедий на шахтах часто остаются без ответов, проблематичны и научно не состоятельны.
За последние два десятилетия в Кузбассе последовательно произошли взрывы шахт: «Зиминка» — 2003 год (12 человек погибших), «Тайжина» — 2004 год (47 погибших), «Листвяжная» — 2004 год (13 погибших), «Есаульская» — 2005 год (25 погибших), «Ульяновская» — 2007 год (110 погибших), «Юбилейная» — 2007 год (39 погибших), «Распадская» — 2010 год (91 погибший), «Листвяжная» — 2021 год (51 погибший). Подобные взрывы имели место и на шахтах во Франции (первый взрыв описан во Франции в 1934 году), Бельгии, Германии, Англии, США, Австралии, Китае, Польше, Болгарии, Венгрии, Чехии, Испании, Казахстане, Украине, Турции, Норвегии. На планете нет угольного бассейна, где не было бы взрыва в шахтах.
В динамике взрывов обнаруживается некая периодичность, некая «эпидемия». Так случилось в 2004-м — начале 2005-го года, когда череда взрывов накрыла не только шахты России, но Украины, Казахстана, Китая и везде с большим числом погибших. Цикличное (периодическое) проявление взрывов шахт может быть следствием только системной причины их возникновения. По нашему мнению, «виновником» (первопричиной) взрывов шахт является мантийный газ, образующийся в глубинных частях Земли и при дегазации планеты поступающий к ее поверхности, в отработанные шахтой пространства по многочисленным долгоживущим неотектоническим трещинам, а не метан, выделяющийся из добываемого угольного пласта при его разработке. Чтобы определить место мантийного газа и степень его ответственности во взрывах шахт, ответим на вопросы: что является источником (местом) его возникновения и нахождения, как он попадает в шахты, каков его состав, взрывные свойства.
Источник газа и его локализация в земной коре Кузбасса
Для установления источника газа обратимся к истории образования Земли, которая возникла 4,6 миллиарда лет назад из газопылевого облака в результате аккреции (слипания, объединения) под действием гравитационных сил. Она возникла не из гомогенного вещества, а весьма разнородного физико-химического исходного продукта, который в результате последовавшего радиогенного распада и разогрева начал делиться. Тяжелые химические элементы стали опускаться к центру планеты, формируя ядро, более легкие, поднимаясь к поверхности, формировали земную кору. Так началась и продолжается дегазация Земли — поступление (истечение) из недр к поверхности и уход в атмосферу образующегося газа.
Процесс дегазации Земли продолжается и сейчас. Свидетельство тому — выход на дневную поверхность в различные периоды газов, нефти, магматических расплавов, извержения вулканов, восполнение нефтью и газом отработанных нефтегазовых месторождений. Углеводороды на нашем веку восстановились с 1896 года дважды в Старо-Грозненском месторождении Чеченской республики, установлены подтоки нефти и газа в скважины Ромашкинского месторождения Татарстана и на многих месторождениях в Волго-Уральской и Западно-Сибирской нефтегазовых провинций.
Метановая зона Кузбасса
фиксируется во всех без исключения глубоких нефтепоисковых скважинах региона. Вскрыта метано-азотно-углекислая зона с повышенным содержанием тяжелых углеводородов и водорода. Угленосная толща бассейна на глубине 2-3 км лежит на метановой «подушке», верхняя граница которой неровная и местами «языками» поднимается в верхние слои осадков бассейна. Вмещает зоны разновозрастных внедрений гранитной и базальтовой магм, создавая находящиеся под высоким давлением локальные газовые резервуары — «газовые мешки» и формируя резервуары свободного газа, которые при тектонической активизации недр или при вскрытии их горными работами и разведочными скважинами разгерметизируются и могут внезапно выбрасывать большие объемы газа.
Геолого-тектонические условия для образования таких газовых ловушек крайне многообразны.
Выделяются стратиграфические, литологические, структурные, тектонические, гидрогеологические, геокриологические, динамические, техногенные типы. Скопления свободного газа в резервуары наблюдаются в коллекторах порового, порово-трещинного и кавернозного типов.
Резервуары со свободным газом в недрах Кузбасса образовались на многих этажах осадочной толщи. Так на Борисовской площади притоки газа установлены из трех горизонтов ильинской свиты, двух горизонтов кузнецкой свиты и одного горизонта верхнебалахонской подсерии. Залежи свободного газа расположены на этажах 180-380, 322-470, 447-525, 959-971, 2850-2930м.
Под любой шахтой Кузбасса перед фронтом действующей лавы могут располагаться ”спящие”, законсервированные газовые пузыри. К примеру, для шахты «Распадская» геологические условия исключительно благоприятны для накопления и сохранения свободного метана в газовых пузырях.
Шахта расположена на пологой крупной моноклинали, погружающейся к центру крупной Подобасско-Тутуясской впадины, где частично перекрыта толщей экранирующих юрских отложений. Угольные пласты перекрыты мощными слоями алевролитов и аргиллитов, которые служат хорошим экраном для газов, поднимающихся по вертикальным и слабонаклонным зонам повышенной трещиноватости к поверхности с больших глубин вдоль зон девонских разломов (Бельсино-Распадский, Терсино-Назасский и другие) северо-восточного простирания.
Часть этого поднимающегося из недр потока газа выходит на поверхность, что фиксируется в подвалах и цокольных этажах ряда зданий, другая его часть на путях подъема заполняет разного рода ловушки, образуя закрытые резервуары свободного газа в осадках пермокарбона. Размеры таких резервуаров могут быть самыми разными, в том числе, по-видимому, способными принимать и аккумулировать сотни тысяч кубометров газа. Вскрытие такого резервуара горными работами, скважиной или разрыв его экрана в результате тектонической активизации, безусловно, создаст условия внезапного прорыва газов в шахту и взрыва.
Необходимо иметь в виду, что горные работы, кроме прямого вскрытия ловушки, могут обновить субвертикальные зоны аномальной трещиноватости пород массива, распаковать газовую ловушку и направить газ по обновленной зоне трещиноватости в отработанное пространство шахты.
Генетические особенности трагических взрывов
Первая особенность — внезапность их проявления. Исследователи, изучающие причины катастрофических взрывов, всегда отмечают эту особенность. Работа шахты годы, десятилетия идет в нормальном безопасном режиме, и вдруг неожиданно — взрыв с большими жертвами. В чем причина не прогнозированного взрыва?
Однозначного ответа на этот вопрос у угольной науки пока нет. Но учеными-горняками он все же намечается: «Первопричиной такого взрыва в шахтах является неконтролируемое формирование вблизи шахты локальных скоплений метано-воздушной смеси опасной концентрации» (Колесниченко Е.А., Колесниченко И.Е. «Взрывы метана в шахтах. Первопричина и следствия».) Виновато само «неконтролируемое скопление взрывоопасной смеси», но такое заключение не состыковывается со второй особенностью катастрофических взрывов — участие в них огромного количества взрывоопасной смеси газов (сотни тысяч, миллионы кубометров). Поэтому ни о каком «локальном скоплении метано-воздушной смеси» как первопричине взрывов речи идти не может, потому что поступить взрывоопасная смесь газов в огромном количестве и моментально в шахту может только из масштабных скоплений по обновляемым (открывающимся) зонам разрывных нарушений, из находящихся под высоким давлением газовых пузырей, из глубинных частей недр. Третьей особенностью катастрофических взрывов шахт является их периодическая повторяемость.
В Кузбассе на временном отрезке 1944-2022 годов выделились пять пятилетних (±1год) ритмов проявления катастрофических взрывов: 1944-48 годы: шахты «Байдаевская» (120 погибших), «№57» (28), «Центральная» (32), «№4» (17). 1981-85 годы: шахты «Физкультурник» (22), «Распадская» (21), «Пионерка» (35), «7 Ноября» (10). 1992-1997 годы: шахты «Шевякова» (30), «Красногорская» (14), «Первомайская» (16), Распадская» (15), «Калинина» (10). 2003-2005 годы: шахты «Зиминка» (12), «Сибирская» (6), «Тайжина» (47), «Листвяжная» (13), «Есаульская» (25). 2007-2010 годы: шахты «Ульяновская» (110), «Юбилейная» (39), «Распадская» (91).
Ритмика катастрофических взрывов угольных шахт в Кузбассе, как и ритмика взрывов во всех угольных бассейнах мира, определяется ритмикой активности Солнца, которая является следствием ритмики термоядерных процессов, протекающих в недрах звезды. Периодичность активности Солнца устанавливается по количеству солнечных пятен на его диске. Р. Вольф (Чижевский А.Л. «Земное эхо солнечных бурь»), обработав наблюдения за солнечными пятнами за два с половиной столетия, определил периоды деятельности Солнца. Они соответствовали в среднем арифметическом 11.111 годам, со средней изменчивостью ±2.03 года. Выделяется и полупериод солнечной активности — 4.5-6.5 лет. Поэтому можно предположить, что приведенные нами кузбасские «пятилетки сгущения» взрывов были связаны с «полупериодами» активации Солнца.
Можно отметить, что шахты «Зиминка» (2003 год), «Сибирская» (2004 год), «Тайжина» (2004 год), «Листвяжная» (2004 год) взорвались в новолуние, шахты «Зыряновская» (1997 год), «Ульяновская» (2007 год) взорвались в полнолуние.
В полнолуние Земля оказывается между Солнцем и Луной, и приливные силы действуют на разрыв, земная кора расширяется, все трещины и разломы раскрываются, обеспечивая увеличение притока газа в шахты из недр. В новолуние Солнце и Луна оказываются по одну сторону Земли. Приливные силы несколько ослабевают. В последнюю четверть Луны Земля сжимается и трещины закрываются. Подток газа к поверхности резко падает.
Газовыводящие каналы
Газ из недр к поверхности и в горные массивы шахт поднимается из глубинных частей недр по долгоживущим зонам разломов — «трубам дегазации».
В Кузбассе специальных геолого-геофизических работ по выявлению выводящих газ каналов (труб) не проводилось, не выполнялись для этого целевая обработка и интерпретация имеющихся полевых геолого-геофизических материалов. Вместе с тем проведенные сейсмические работы по региональным профилям, секущим бассейн, показали, что такие каналы по хорошо выраженному сейсмическому эффекту, известному под названием «сейсмическая мутность», в Кузбассе широко распространены. Это вертикальные канальные зоны, пересекающие всю осадочную толщу и уходящие своими корнями к подошве земной коры и глубже.
Повышенная сейсмическая мутность — это следствие постоянного движения (подъема) флюидов (газов, растворов и расплавов) к поверхности от ядра Земли. Ряд таких каналов, в виде глубинных, долгоживущих зон разломов, выделен в Кузбассе и на прилегающей площади по аномальному полю силы тяжести. Повсеместно флюидоподводящие каналы хорошо диагностируются линейными зонами пониженных сейсмических скоростей, которые обусловлены повышенной пористостью, высокой трещиноватостью и флюидопроводностью.
На большом фактическом материале ранее проведенных работ показана высокая эффективность выделения и трассирования флюидовыводящих каналов комплексированием гелиевой съемки и сейсмических методов.
В зоне разгрузки флюидного потока, когда давление в канале резко снижается, падает энергетика флюидодинамической системы, а единый подводящий канал может распадаться на «древовидную» систему струй, самостоятельно прокладывающих себе путь продвижения наверх, проделывая работу по деструкции слоев осадочной толщи, дробя и смещая их.
Такой характер разделения единого ствола подводящего канала, с мелкими многочисленными зонами повышенной трещиноватости и внедрений многочисленных субвертикальных даек мезозойских диабазов северо-восточного простирания мощностью от 5 см до 28 метров в угленосную толщу с I по LXIII пластами, можно наблюдать вдоль многокилометрового (20 км) фронта работ на Красногорском угольном разрезе и прилегающей площади (см. фото).
В верхней части геологического разреза изученной 3-километровой толщи отложений сейсморазведка четко фиксирует в разрезе локальные газовые купола, что позволяет выделять их и в подшахтном пространстве, куда еще не спустилась угледобыча.
С целью обнаружения каналов подтока глубинного метана и заполненных газом ловушек получены первые убедительные результаты использования космических снимков высочайшей степени разрешения территорий угольных бассейнов. Целевая обработка таких снимков шахтного поля «Распадской» и прилегающих территорий сразу после трагических событий (08-09.05.2010 года) установила на этой площади более десятка каналов подтока глубинного газа, один из которых непосредственно находился в пределах шахтного поля «Распадской».
Анализ геолого-геофизических материалов показал, что каналы поступления свободного газа в создаваемые ловушки в юго-восточной части Кузбасса приурочены к трем трансрегиональным субпараллельным долгоживущим зонам разломов северо-восточного направления. Поля шахт «Распадской», Шевякова, «Ольжерасской-Новой» расположены южнее Терсино-Назасского разлома и непосредственно на продолжении Бельсино-Распадского, в которых были зафиксированные эпицентры землетрясений, а «Томской» и «Сибиргинской» расположены в Междуреченской неотектонической зоне и Майзасском разломе, где вскрыты и изучены многочисленные субвертикальные дайки диабазов мезозойского возраста северо-восточного простирания, служившие подводящими каналами внедрений расплавов магмы с глубин 40-60 км в более расслоенные и проницаемые угленосные толщи.
Во всех выявленных зонах разломов северо-восточного простирания у Междуреченска и на их продолжении в Кузбассе многие годы Алтае-Саянским филиалом ЕГС РАН фиксируются эпицентры землетрясений. Такая структурно-тектоническая обстановка предопределила условия формирования здесь «труб» дегазации, в каналах которых, на разных стратиграфических уровнях, в экранированном состоянии сформировались многочисленные газовые ловушки. Будучи годами в динамическом равновесии — латентны, но в момент активизации сформированных ранее (в додевонское время) сбросо-сдвигов и при работе шахт они внезапно могут открыться, а находящийся в них газ под высоким давлением вбрасываться в отработанные пространства.
Поэтому можно указать, что для выявления и трассирования в границах горного массива шахтного поля выводящих глубинный газ каналов уже разработаны, существуют соответствующие методы и методики.
Виктор Ашурков, Игорь Евдокимов
Продолжение в следующем номере