Прогноз динамических явлений в угольных шахтах с учетом иерархической организации горного массива и сорбционных свойств ископаемых углей

Целью исследования является определение физических свойств избранных точек угольных пластов для прогнозирования потенциально опасных зон, в окрестности которых возникает необходимость применять дополнительные технологические решения, гарантирующие прохождение этих зон в безопасном режиме. Проанализированы образцы, полученные на шахтах Донбасса, Кузбасса и Воркутинского угольного бассейна. Использовались следующие методы: низкотемпературной адсорбции азота, микроскопические, малоуглового рассеяния нейтронов и рамановской спектроскопии. При анализе данных, полученных для микрои макроскопических масштабов, использовалась концепция самоорганизованной критичности. Результаты исследования позволили сделать вывод об эффективности совместного использования методов геодинамического районирования и физических методов анализа структурной организации углей на микроуровне для прогноза очагов зарождения и инициирования газодинамических явлений. Методы малоуглового рассеяния нейтронов и рамановской спектроскопии оказались наиболее чувствительными для характеристики структурных особенностей и метаноемкости порового пространства углей, извлеченных из участков угольного пласта с различной степенью напряженно-деформируемого состояния. Тектонически нагруженные зоны отличаются от ненагруженных зон параметрами фрактальной размерности, которые характеризует иерархическое (степенное) распределение пор по размерам.

Василенко Т. А., Кириллов А. К., Исламов А. Х., Дорошкевич А. С., Новикова В. Н. Прогноз динамических явлений в угольных шахтах с учетом иерархической организации горного массива и сорбционных свойств ископаемых углей // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2025. – № 1-1. – С. 47–68. DOI: 10. 25018/0236_1493_2025_11_0_47.

Василенко Татьяна Анатольевна¹ — д-р техн. наук, старший научный сотрудник, главный научный сотрудник, e-mail: tvasilenko@mal.ru, Scopus Author ID: 57212244174, ORCID ID: 0000-0003-4290-1520,
Кириллов Андрей Кузьмич² — д-р техн. наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник, e-mail: kirillov1953@inbox.ru, Scopus Author ID: 55116623400, ORCID ID: 0000-0002-8727-2441,
Исламов Ахмед Хусаинович² — канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, e-mail: akhmed.islamov@gmail.com, Scopus Author ID: 35582218200,
Дорошкевич Александр Сергеевич² — канд. физ.-мат. наук. старший научный сотрудник, начальник группы, e-mail: doroh@jinr.ru, Scopus Author ID: 12545381500, ORCID ID: 0000-0003-4290-1520,
Новикова Валентина Николаевна¹ — канд. геол.-минерал. наук, зам. научного руководителя по науке и инновационной деятельности, e-mail: novikova_vn@pers.spmi.ru, Scopus Author ID: 57199401606, ORCID ID: 0000-0002-0217-6531,
¹ Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II,
² Международная межправительственная научно-исследовательская организация Объединенный институт ядерных исследований.

Василенко Т.А., e-mail: tvasilenko@mail.ru.

1. Шуман В. Н. Концепция динамически неустойчивой геосреды и сейсмоэлектромагнитный шум литосферы // Геофизический журнал. — 2010. — № 6(32). — С. 101—118. EDN: ZRSZJP.

2. Геншафт Ю. С. Земля — открытая система: геологические и геофизические следствия // Физика Земли. — 2009. — № 8. — С. 4—12. EDN: KPTIRZ.

3. Bak P., Tang C., Wiesenfeld K. Self-organized criticality: An explanation of 1/f noise // Physical Review Letters. 1987, vol. 59, pp. 381—384. DOI: 10.1103/PhysRevLett.59.381.

4. Bak P., Tang C. Earthquakes as self-organized criticality // Journal of Geophysical Research. 1989, vol. 94, no. 15, pp. 635—637. DOI: 10.1029/JB094IB11P15635.

5. Мулев С. Н., Рукавишников Г. Д., Мороз Д. И., Пашкова В. И., Мороз Н. Е. Мониторинг напряженного состояния сейсмическими и расчетными методами на шахтах АО «Воркутауголь» // Уголь. — 2022. — № 12. — C. 88—93. DOI: 10.18796/0041-5790-2022-12-88-93.

6. Макаров П. В. Самоорганизованная критичность деформационных процессов и перспективы прогноза разрушений // Физическая мезомеханика. — 2010. — № 13(5). — С. 97—112. EDN: MXQSPZ.

7. Макаров П. В., Смолин И. Ю., Стефанов Ю. П., Кузнецов П. В., Трубицын А. А., Трубицына Н. В., Ворошилов С. П., Ворошилов Я. С. Нелинейная механика геоматериалов и геосред. — Новосибирск: Академическое изд-во «Гео», 2007. — 235 с.

8. Sidorenko A. A., Dmitriev P. N., Sirenko Yu. G. Predicting methane emissions from multiple gas-bearing coal seams to longwall goafs at russian mines // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2021, vol. 16, no. 85, pp. 851—857. http://www.arpnjournals.org/jeas/research_papers/rp_2021/jeas_0421_8562.pdf.

9. Наймарк О. Б. Коллективные свойства ансамблей дефектов и некоторые нелинейные проблемы пластичности и разрушения // Физическая мезомеханика. — 2003. — № 6 (4). — С. 45—72. EDN: IUCYMX.

10. Баренблатт Г. И. Модель нелокального накопления повреждений // Физическая мезомеханика. — 2003. — № 6(4). — С. 85—92. EDN: IUCYNR.

11. Шуман В. Н., Коболев В. П., Старостенко В. И., Буркинский И. Б., Лойко Н. П., Захаров И. Г., Яцюта Д. А. Метод анализа спонтанной электромагнитной эмиссии Земли: физические предпосылки, элементы теории, полевой эксперимент // Геофизический журнал. — 2012. — № 34(4). — С. 40—61. EDN: ZQZWPV.

12. Daniliev S. M., Danilieva N. A., Frid V. I., Mulev S. N. Integration of seismic refraction and fracture-induced electromagnetic radiation methods to assess the stability of the roof in mine-workings minerals // Minerals. 2022, vol. 12, pp. 609—609. DOI: 10.3390/min12050609.

13. Господариков А. П., Ревин И. Е., Морозов К. В. Композитная модель анализа данных сейсмического мониторинга при ведении горных работ на примере Кукисвумчоррского месторождения АО «Апатит» // Записки Горного института. — 2023. — Т. 262. — С. 571—580. DOI: 10.31897/PMI.2023.9.

14. Шабаров А. Н., Дупак Ю. Н., Батугин А. С. Тектонически напряженные и разгруженные зоны в горном массиве // Уголь. — 1994. — № 7. — С. 28—30.

15. Kazanin O. I., Sidorenko A. A., Ivanov V. V., Mischo H. N. High productive longwall mining of multiple gassy seams: best practice and recommendations // Acta Montanistica Slovaca. 2022, vol. 27, no. 15, pp. 152—162. DOI: 10.46544/AMS.v27i1.11.

16. Беляков Н. А., Морозов К. В., Емельянов И. А. Методика обработки данных полевых испытаний по оценке естественного напряженного состояния горного массива методом кольцевой разгрузки // Горный журнал. — 2023. — № 5. — С. 89—96. DOI: 10.17580/gzh.2023.05.13.

17. Такранов Р. А. Квалиметрия угольных месторождений. — СПб., 2011. — 438 с.

18. Бондарев А. В., Шванкин М. В., Николашин С. Ю. Контроль критически важных факторов состояния массива на горнодобывающих предприятиях // Проблемы управления рисками в техносфере. — 2021. — № 4 (60). — С. 13—18. EDN: ITRRRD.

19. Zuev B. Y., Istomin R. S., Kovshov S. V., Kitsis V. M. Physical modeling the formation of roof collapse zones in Vorkuta coal mines // Bulletin of the Mineral Research and Exploration. 2020, vol. 162, pp. 225—234. DOI: 10.19111/bulletinofmre.620478.

20. Шабаров А. Н., Носков В. А., Павлович А. А., Черепов А. А. Понятие геомеханического риска при ведении открытых горных работ // Горный журнал. — 2022. — № 9. — С. 22—28. DOI: 10.17580/gzh.2022.09.04.

21. Батугин А. С. Геодинамические эффекты предельно напряженного состояния земной коры // Горная промышленность. — 2023. — № S1. — С. 14—21. DOI: 10.30686/1609-9192-2023S1-14-21.

22. Rasskazov M., Tereshkin A., Tsoi D., Konstantinov A., Miroshnikov V., Bagautdinov I., Kozhogulov K. Research of the formation of zones of stress concentration and dynamic manifestations based on seismoacoustic monitoring data in the fields of the Kola Peninsula // E3S Web Conference. 2020, vol. 192, article 01009. DOI: 10.1051/e3sconf/202019201009.

23. Протосеня А. Г., Беляков Н. А., Буслова М. А. Моделирование напряженно-деформированного состояния блочного горного массива рудных месторождений при отработке системами разработки с обрушением // Записки Горного института. — 2023. — Т. 262. — С. 619—627. EDN: EGDXKM.

24. Кузьмин Ю. О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании. — М.: Агентство Экономических Новостей, 1999. — 220 с.

25. Ji, H., Li Z., Peng Y. Yang Y., Tang Y. Pore structures and methane sorption characteristics of coal after extraction with tetrahydrofuran // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2014, vol. 195, pp. 287—294. DOI: 10.1016/j.jngse.2014.05.020.

26. Cai Y., Liu Dameng, Pan Zhejun, Yao Yanbin, JLi Unqian, Qiu Yongkai Pore structure and its impact on CH4 adsorption capacity and flow capability of bituminous and subbituminous coals from Northeast China // Fuel. 2013, vol. 1035, pp. 258—268. DOI: 10.1016/j.fuel.2012.06.055.

27. Kuklin A. I., Ivankov O. I., Rogachev A. V., Soloviev D. V., Islamov A. Kh., Skoy V. V., Kovalev Yu. S., Vlasov A. V., Ryzhikov Yu. L., Soloviev A. G., Kutserka N., Gordeliy V. I. Neutronographic investigations of supramolecular structures on upgraded small-angle spectrometer YuMO // Journal of Physics Conference Series. 2017, vol. 848, no. 1, article 012010. DOI: 10.1088/17426596/848/1/012010.

28. Avnir D., Jaroniec M. An isotherm equation for adsorption on fractal surfaces of hetero-geneous porous materials // Langmuir. 1989, vol. 5, pp. 1431—1433. DOI: 10.1021/la00090a032.

29. Xiaoshi Li, Yiwen Ju, Quanlin Hou, Zhuo Li, Junjia Fan FTIR and raman spectral research on metamorphism and deformation of coal // Journal of Geological Research. 2012, article 590857. DOI: 10.1155/2012/590857.

30. Василенко Т. А., Кириллов А. К., Соболев В. В., Дорошкевич А. С., Дорошкевич Н. В. Методы исследования электрофизических и структурных характеристик ископаемых углей / Физико-технические проблемы горного производства: Сборник научных трудов. № 21. — Донецк, 2019. — С. 5—31. DOI: 10.37101/ftpgp21.01.001.

31. Рудко В. А., Габдулхаков Р. Р., Пягай И. Н. Научно-техническое обоснование возможности организации производства игольчатого кокса в России // Записки Горного института. 2023. — Т. 263. — С. 795—809. EDN: KYNHWL.

32. Шабаров А. Н., Цирель С. В., Морозов К. В., Рассказов И. Ю. Концепция комплексного геодинамического мониторинга на подземных горных работах // Горный журнал. — 2017. — № 9. — С. 59—64. DOI: 10.17580/gzh.2017.09.11.

33. Айруни А. Т. Прогнозирование и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах. — М.: Наука, 1987. — 310 с.

34. Менжулин М. Г., Коршунов Г. И., Кирюков В. В., Новикова В. Н., Монтиков А. В. Исследование последствий фазовых переходов в углях различных стадий метаморфизма с помощью растровой электронной микроскопии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2011. — № 5. — С. 102—107. EDN: ONBNKN.

35. Leisle A. V., Kovalski E. R. Complex extraction of methane and coal from thick coal seams // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2016, vol. 7, no. 35, pp. 1660— 1666. http://www.rjpbcs.com/pdf/2016_7%283%29/[205].pdf.

36. Khokhlov S., Abiev Z., Makkoev V. The choice of optical flame detectors for automatic explosion containment systems based on the results of explosion radiation analysis of methaneand dust-air mixtures // Applied Sciences. 2022, vol. 12, no. 3, article 1515. DOI: 10.3390/app12031515.

37. Справочник по тектонической терминологии. — М.: Недра, 1970. — 584 с.