Механизм внезапных выбросов метана в угольных пластах

Рассмотрена проблема предотвращения внезапных выбросов метана и угля, обеспечению метанобезопасности при разработке угольных пластов. Приведены масштабы распространения внезапных выбросов на шахтах России и за рубежом. Показано, что на первых этапах изучения были выделены три горно-геологических фактора. На практике оказалось, что характеристика угольных пластов отличается разнообразием. Дана характеристика исследований молекулярной структуры угля. Однако теоретические модели выполнены на уровне схематического представления. По результатам экспериментального изучения с увеличением от 6 · 104 до 2 · 105 раз представляется возможным определять параметры надмолекулярной структуры угля. Приведен анализ результатов современных исследователей Китая и России. Особенностью исследований является отсутствие учета молекулярной структуры угля и энергетических процессов в угольных пластах. Приведены цель, задачи и методы исследования. Приведено обоснование закономерностей формирования различных характеристик угля. Показано, что основным фактором, влияющим на свойства угля, являются химические свойства воды. В воде с кислотными и щелочными свойствами синтезируются макромолекулы с различным набором ароматических ядер и функциональных групп. В периоды метаморфических преобразований молекулярная структура угля сохранялась, но высокая природная метаноносность приурочена к щелочным фациальным условиям. Приведена характеристика выбросоопасной зоны в пласте. Приведена концепция внутренней тепловой энергии атомов. Показано, что внезапный выброс необходимо рассматривать как совокупность энергетических процессов в пласте. Для описания этих процессов впервые приняты закономерности квантовой теории. Все процессы в изолированном геологическом теле происходили под воздействием электромагнитных излучений атомов органического материала. Механизм внезапного выброса состоит из двух процессов. Первый процесс начинается при увеличении опорного горного давления и деформаций пласта. Второй процесс энергетический, и происходит в молекулярной структуре пласта. При силовом воздействии для отделения атома от молекулы требуется в 2 раза меньше энергии. При увеличении электромагнитной энергии, испускаемой атомами, увеличиваются массовое количество и кинетическая энергия метана, его температура и давление в пласте, возрастает вероятность внезапного выброса в выработку. Приведены научные и практические рекомендации.

Колесниченко И. Е., Колесниченко Е. А., Любомищенко Е. И., Колесниченко Е. И. Механизм внезапных выбросов метана в угольных пластах // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2020. – № 1. – С. 108–120. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-1-0108-120.

Колесниченко Игорь Евгеньевич¹ — д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой,
заместитель директора по учебной работе, e-mail: kolesnichenko_igor@rambler.ru,
Колесниченко Евгений Александрович¹ — д-р техн. наук,
профессор, e-mail: prof-npi@yandex.ru,
Любомищенко Екатерина Игоревна¹ — канд. техн. наук,
доцент, e-mail: katya87lk@mail.ru,
Колесниченко Евгений Игоревич¹ — студент, e-mail: prof-npi@yandex.ru,
¹ Автодорожный институт (филиал) Южно-Российского государственного
политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова.

Колесниченко И. Е., e-mail: kolesnichenko_igor@rambler.ru

1. Колесниченко Е. А., Колесниченко И. Е. Внезапные выбросы и взрывы метана: прогнозирование и предотвращение. — Ростов-на-Дону: Изд-во «Логос», 2005. — 248 с.
2. Ходот В. В. Современные представления о природе и механизме внезапных выбросов угля и газа / Материалы совещания по внезапным выбросам угля и газа. — Углетехиздат, 1952.
3. Залесский М. Д. Очерк по вопросу образования угля. — Изд. Геол. Ком., 1914.
4. Вальц И. Э. Методика спорового анализа для целей синхронизации угольных пластов. — Гостоптехиздат, 1941.
5. Айруни А. Т. Прогнозирование и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах. — М.: Наука, 1987. — 310 с.
6. Xia T., Wang X., Zhou F., Kang J., Liu J., Gao F. Evolution of coal self-heating processes in longwall gob areas // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2015, Vol. 86, pp. 861—868. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer. 2015.03.072.
7. Xia T., Zhou F., Gao F., Kang J., Liu J., Wang J. Simulation of coal self-heating processes in underground methane-rich coal seams // International Journal of Coal Geology, 2015, Vol. 141— 142, pp. 1—2. DOI: 10.1016/j.coal.2015.02.007.
8. Фельдман Э. П., Василенко Т. А., Калугина Н. А. Физическая кинетика системы угольный пласт — метан: массоперенос, предвыбросные явления // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2014. — № 3. — С. 46—65.
9. Fenghua An, Yuanping Cheng The effect of a tectonic stress field on coal and gas outbursts // The Scientific World Journal. 2014, Vol. 2014, ID 813063, 10 p. DOI: 10.1155/2014/813063.
10. Ming-Min Yang, Dong Jik Kim, Marin Alexe Flexo-photovoltaic effect // Science. 2018, Vol. 360, Issue 6391, pp. 904—907.
11. Смирнов В. Г., Дырдин В. В., Исмагилов З. Р., Ким Т. Л. Влияние разложения газовых гидратов на рост трещин в массиве угля впереди забоя подготовительной выработки // Из- вестия вузов. Горный журнал. — 2016. — № 3. — С. 96—103.
12. Смирнов В. Г., Дырдин В. В., Исмагтлов З. Р., Ким Т. Л., Манаков А. Ю. О влиянии форм связи с угольной матрицей на газодинамические явления, возникающие при подземной разработке угольных пластов // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. — 2017. — № 1. — С. 34—41.
13. Xia T. Role of thermodynamic effect on coal-gas interactions during underground pre- and post- mining coal seams in the environmental geology // J Environ Geol. 2017;1(1):7—8. DOI:10.4172/2591-7641.1000003.
14. Hui Li, Zengchao Feng, Dong Zhao, Dong Duan Simulation Experiment and Acoustic Emission Study on Coal and Gas Outburst // Rock Mechanics and Rock Engineering, 2017, Vol. 50, Issue 8, pp. 2193—2205.
15. Luo Y., Li S. Excess Coalbed Methane Production Mechanism in the Process of Coal Tectonic Deformation // Journal of Geoscience and Environment Protection, 2016, Vol. 4, pp. 175—178. DOI: 10.4236/gep.2016.47019.
16. Колесниченко Е. А., Артемьев В. Б., Колесниченко И. Е. Внезапные выбросы метана: теоретические основы. — М.: Изд-во «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2013. — 232 с.
17. Колесниченко И. Е., Артемьев В. Б., Колесниченко Е. А.. Эволюция методов изучения метанобезопасности при разработке угольных пластов // Уголь. — 2019. — № 7(1120). — С. 36—41. DOI: 10.18796/0041-5790-2019-7-36-41.
18. Колесниченко И. Е., Артемьев В. Б., Колесниченко Е. А., Черечукин В. Г., Любомищенко Е. И. Теория электронно-волновой физики угольных пластов // Горная промышленность. — 2018. — № 5. — С. 86—89.
19. Любер А. А. Типы превращения растительных тканей в ископаемый уголь // Химия твердого топлива. — 1934. — № 5.
20. Наливкин Д. В. Учение о фациях. — Георазведиздат, 1-е изд. 1932; 2-е изд. 1933, 3-е изд. АН СССР, 1956.
21. Хаин В. Е. О некоторых основных понятиях в учении о фациях и формациях // Бюлл. МОИП. Отд. геол. — 1950. — Т. 25. — № 6. — С. 3—28.