Важен геопрогноз

Очаги эндогенного самовозгорания и взрывы на шахтах Кузбасса


Анатолий Мавренков, заслуженный геолог РФ — человек неравнодушный. Он уверен: наука, которую представляет, способна внести больший вклад в безопасность отрасли, что доказывает своими научными работами. Материал, который «УК» предлагает сегодня читателю, свидетельствует, что при детальном анализе структурного формирования горного массива появляется реальная возможность выполнить геологический прогноз опасных участков самовозгорания и определить необходимые профилактические мероприятия по метанобезопасности.


Современные исследования самовозгорания в основном представлены экспериментальными наблюдениями на контакте подземной горной выработки, при этом полученные результаты представляют объем ограниченной информации, в основном мониторинг давления и температурного режима. Полученные результаты действительно полностью соответствует физико-механическим процессам сжатия с развитием температурного режима горной массы, но всегда оцениваются, к сожалению, как единственное условие развития очага эндогенного самовозгорания.

Если это так, необходимо объяснить, почему на весьма широком фронте контактного давления эндогенное самовозгорание представлено только отдельными очагами — сложилась ситуация, когда без учета нарушений, связанных с «человеческим фактором», до настоящего времени для горняков этот вопрос остается открытым! Появляется логическая необходимость определения не других, а дополнительных горногеологических условий, способных локально активизировать процесс самовозгорания, например, участки с возможной концентрацией активных химических соединений, окислительный процесс которых протекает с повышением температурного режима и часто переходит в эндогенное самовозгорание.

1.

В шахте при наличии действующего очага самовозгорания изучение этих условий не представляется возможным, но в открытых работах на участках периодического повторения процесса самовозгорания в очагах самовозгорания имеется возможность уточнить химический состав; при этом, анализируя структуры осадконакопления, определить закономерность генетических условий в формировании концентраций микроэлементов.

В этом направлении была выполнена работа на разрезе Сибиргинский: при детальном изучении распространения микроэлементов в угольных пластах сделан отбор дифференциальный проб, по результатам которых установлены локальные концентрации химических соединений из азота, серы, фосфора и других микроэлементов. Лабораторные исследования дифференциальных проб проведены в Новокузнецкой центральной химической лаборатории, здесь ренгено-структурным анализом впервые в Кузбассе выделены редкие минеральные соединения тобелит и сванбергит, имеющие парагенетические связи с концентрацией активных химических соединений.

Установлена характерная особенность этих минералов и парагенетических элементов, они имеют более широкое распространение в месторождениях бурых углей и торфяниках (по сравнению с каменными углями), где в период вскрытия и эксплуатации весьма активно развиваются процессы самовозгорания.

2.

При выполнении структурно-тектонического анализа процессов осадконакопления установлено, что на отдельных горизонтах угленосных свит при изменении скорости подводных потоков отмечаются локальные условия для формирования концентраций минеральных отложений.

В геологическом строении участков с периодически повторяющимися очагами самовозгорания прослеживается закономерный парогенетический набор структурных элементов, формирование концентраций микроэлементов в зоне влияния геодинамических процессов неотектоники, в зоне влияния глубинных разломов и апофизных линеаментов. При этом существует закономерность: локальные очаги самовозгорания в основном развиваются на стратиграфическом горизонте волновых структур осадконакопления, который формируется в срединной части геологического разреза угленосной свиты.

На приразломных участках по горизонтам осадконакопления волновых структур геологический разрез выше кровли угольных пластов представлен интенсивным развитием локальных линзообразных прогибов, заполненных слоями крупнозернистых песчаников с цепочками или отдельными линзами хорошо окатанного гравелита. При этом мощность монолитных слоев увеличивается к центральной части локального прогиба, а на крыльях горизонтальная слоистость за пределами локального прогиба имеет угловое несогласие с угольным пластом, что свидетельствует о вертикально инверсионной активности локальных геодинамических процессов.

3.

Таким образом, в результате структурно-тектонического анализа реального геологического пространства установлено, что очаги самовозгорания закономерно формируются активной геодинамикой на стратиграфическом горизонте волновых структур осадконакопления.

В геологическом разрезе локальных очагов самовозгорания характерной особенностью являются расщепления в почве угольных пластов с выклиниванием нижнего угольного слоя. На этих участках наблюдаются инъективные внедрения песчаных материалов осадконакопления в угольный пласт, формы песчаных инъекций в угольном пласте представлены вертикальными дайками и кососекущими силами с элементами залегания под углом 5-7 градусов, с удалением от начала внедрения мощность силлов снижается и может переходить из угольного пласта в породы почвы. По наблюдениям, в открытых работах все очаги самовозгорания расположены в зоне развития нижних слоев инъективных внедрений с расщеплением нижних пачек угольного пласта. Эти условия характерны для центральной части волновой структуры, где появляется наибольшее количество очагов самовозгорания.

На верхней и нижней границе волновой структуры осадконакопления не формируются инъективные внедрения, здесь развиты русловые размывы в кровлях угольных пластов на отдельных локальных прогибах поверхности осадконакопления, формируются так называемые мульды, в которых при концентрации микроэлементов появляется возможность локальных процессов самовозгорания.

4.

В угольных шахтах Кузбасса контроль производственного процесса представлен современным уровнем технического оснащения и позволяет своевременно определять начало поступления продуктов горения в вентиляцию. При этом может быть несколько вариантов расположения в горном массиве очага самовозгорания, что имеет существенное влияние на объем поступления продуктов горения в вентиляционный поток шахты и связи с ним этого.

Объем поступления продуктов горения от очага самовозгорания зависит от проницаемости горного массива, и здесь важно определить границы и уровень современного напряженного состояния в объемных зонах сжатия-растяжения. Для решения этого вопроса необходим общий геодинамический анализ формирования угольного бассейна с детализацией в границах месторождения и шахтного поля.

В горном массиве зоны сжатия-растяжения последовательно образованы геодинамическими процессами при формировании угольного бассейна, это волновые структуры, горизонтальный сдвиг и магматические плюмы. При определении уровня напряженного состояния необходимо учитывать взаимное последовательное влияние этих геодинамических процессов.

Максимальная проницаемость горного массива по зоне растяжения расположена в центральной части от границ ее развития, поэтому здесь условия развития и динамика очага самовозгорания зависят от положения его в объемном пространстве. При ведении горных работ в максимальных значениях растяжения длительная локализация очагов пожара перемычками с внедрением азотных соединений практически невозможна, такие условия ранее наблюдались на ряде шахт и сейчас этот процесс происходит на «Коксовой-1» Распадской угольной компании. Для решения этой проблемы здесь крайне необходим геодинамический анализ осадконакопления с определением границ и объемов зоны растяжения, в данном случае это реальная возможность определить целенаправленную и эффективную технологию для локализации пожара затоплением.

На границах зоны растяжения, где проницаемость горного массива минимальна, при слабом влиянии вентиляционного потока очаг самовозгорания имеет длительное развитие и может — в момент эксплуатации — быть локализован перемычками. Но это опасный вариант, так как он приводит к неожиданному взрыву при выбросах метановых газов в межсезонный период, когда за счет раскрытия трещин увеличивается проницаемость по горному массиву вентиляционного потока.

Наиболее опасный вариант, когда продукты горения имеют еще и выход на поверхность по глубинным разломам или по трещинам от майтиных плюмов, в этом случае продукты горения практически не поступают в вентиляционный поток и не фиксируются в системе эксплуатационного контроля, и, как результат, — неожиданный взрыв. При достаточном удалении от эксплуатационных работ аналогичный процесс на горных предприятиях воспринимается как «горный удар».

До настоящего времени решение этой проблемы скрыто в неизученных геологических особенностях горного массива, при этом обеспечить изу­чение с определением метанобезопасности имеют возможность только реальные собственники горного производства.

Выводы:

1. При детальном анализе структурного формирования горного массива появляется реальная возможность выполнить геологический прогноз опасных участков самовозгорания и определить необходимые профилактические мероприятия по метанобезопасности.

2. В вентиляционном потоке объем поступающих для контроля продуктов горения зависит от пространственного положения очага самовозгорания в границах зоны растяжения.

Анатолий Мавренков, заслуженный геолог РФ.


СГИ Тимофеева