Влияние биометаногенеза на газовый баланс угольных шахт

Приведены результаты экспериментального исследования изотопного состава углерода метана, выполненного с применением современного метода резонансно-усиленной спектроскопии. Изучены пробы газа, отобранные непосредственно из угольных пластов, а также из рудничной атмосферы действующих выемочных участков угольных шахт Кузбасса. На основе прецизионного анализа содержания стабильных легких изотопов углерода и последующего определения изотопной сигнатуры получено экспериментальное подтверждение вклада биогенных процессов в общее газовыделение. Установлено, что часть метана, присутствующего в рудничной атмосфере, имеет биогенную природу. Статистическая обработка полученных данных показала, что до 65% исследованных проб рудничного воздуха содержит метан, образованный в результате жизнедеятельности метаногенных микроорганизмов. Представлена кинетическая модель, позволяющая количественно оценить потенциал биогенного газовыделения в зависимости от горно-геологических и микробиологических факторов. Показано, что непрерывный микробиологический метаногенез, протекающий в углепородном массиве и выработанном пространстве, формирует дополнительную метанообильность выемочных участков, достигающую 1 м3 на тонну добываемого угля. Особенностью этого процесса является его постоянный, длительный фоновый характер. В отличие от десорбционных процессов, напрямую связанных с темпом ведения очистных работ, биогенная эмиссия метана протекает непрерывно и независимо от скорости подвигания очистного забоя. Результаты исследования подтверждают целесообразность учета биогенной составляющей для точного прогноза газовой обстановки и повышения эффективности управления безопасностью ведения горных работ.

Тайлаков О. В., Уткаев Е. А., Тайлаков А. А., Рябцев А. A. Влияние биометаногенеза на газовый баланс угольных шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2026. – № 6. – С. 20–33. DOI: 10.25018/0236_1493_2026_6_0_20.

Работа выполнена в рамках государственного задания ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук», проект FWEZ-2026-0002 «Разработка методов комбинированного применения геофизических систем прогноза, контроля и управления состоянием горного массива, а также технологий предотвращения газодинамических явлений и мониторинга проведенных мероприятий по их реализации» (рег. № 1023032200092-2-1.5.1;2.7.5).

Тайлаков Олег Владимирович — д-р техн. наук, профессор, Генеральный директор, АО «Научный центр ВостНИИ по промышленной и экологической безопасности в горной отрасли», e-mail: tailakov@nc-vostnii.ru, ORCID ID: 0000-0001-5046-0476, 
Уткаев Евгений Александрович¹ — канд. техн. наук, старший научный сотрудник, e-mail: utkaev@mail.ru, ORCID ID: 0000-0001-8299-1327, 
Тайлаков Александр Александрович¹ — инженер, e-mail: Aleksandr.tailakov@mail.ru, ORCID ID: 0000-0003-4593-5443,
Рябцев Андрей Александрович¹ — научный сотрудник, e-mail: iu@ficuuh.ru, ORCID ID: 0000-0001-6764-3607,
¹ Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук, Институт угля.

Тайлаков О.В., e-mail: tailakov@nc-vostnii.ru.

1. Ларин М. К., Розум И. Г., Бушуев К. И. Виды и причины газодинамических явлений на угольных шахтах // Вестник СибГИУ. — 2019. — № 4. — С. 25—27.

2. Корчагина Т. В., Ефимова Н. В., Жабин А. Б., Ишутина С. А. Исследование эмиссии угольного метана на поверхность из ликвидируемых шахт // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. — 2017. — № 4. — С. 48—60.

3. Чжан Яньцзе, Колесник Ю. И. Современные технологии добычи метана в Китае из угольных пластов: тенденции и перспективы развития // Baikal Research Journal. — 2022. — № 2. 

4. Айруни А. В. Метан в угольных пластах: гипотезы и экспериментальные данные. — М.: Недра, 1975. — 256 с.

5. Полевщиков Г. Я., Козырева Е. Н., Плаксин М. С., Рябцев А. А., Родин Р. И., Непеина Е. С. Натурные измерения энергетических показателей выделения метана из газоносного угля // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. — 2016. — № 3. — С. 400—406.

6. Полевщиков Г. Я., Козырева Е. Н., Непеина Е. С., Рябцев А. А., Родин Р. И. Изучение газокинетических характеристик угольных пластов Кузбасса // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. — 2017. — № 2. — С. 18—30.

7. Алексеев Ф. А., Лебедев В. С., Овсянников В. М. Изотопный состав углерода газов биохимического происхождения. — М.: Недpa, 1973. — 88 c.

8. Тайлаков О. В., Салтымаков Е. А., Соколов С. В., Костина А. В., Проценко Г. В. Определение источников метановыделения в очистной забой угольных шахт анализом изотопного состава углерода метана // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2024. — № 5. — С. 133—140. DOI: 10.15372/FTPRPI20240512.

9. Meslé M., Oger P., Dromart G. Microbial methanogenesis in subsurface oil and coal // Research in Microbiology. 2013, vol. 164, no. 9, pp. 959—972.

10. Akimbekov N. S., Digel I., Tastambek K. T., Marat A. K., Turaliyeva M. A., Kaiyrmanova G. K. Biotechnology of microorganisms from coal environments: from environmental remediation to energy production // Biology. 2022, vol. 11, no. 9, article 1306. DOI: 10.3390/biology11091306.

11. Zhang B., Tao Sh., Sun B., Tang Sh., Chen Sh., Wen Y., Ye J. Genesis and accumulation mechanism of external gas in deep coal seams of the Baijiahai uplift, Junggar Basin, China // International Journal of Coal Geology. 2024, vol. 286 article 104506. DOI: 10.1016/j.coal.2024.104506.

12. Rice D. D. Composition and origins of coalbed gas // AAPG Studies in Geology. 1993, vol. 38, pp. 159—184.

13. Colosimo F., Thomas R., Lloyd J. R., Taylor K. G., Boothman C., Smith A. D., Lord R., Kalin R. M. Biogenic methane in shale gas and coal bed methane: A review of current knowledge and gaps // International Journal of Coal Geology. 2016, vol. 165, pp. 106—120. DOI: 10.1016/j.coal.2016.08.011.

14. Schoell M. Genetic Characterization of Natural Gases // AAPG Bulletin. 1983, vol. 67, no. 12, pp. 2225—2238.

15. Beckmann S., Lueders T., Krüger M., von Netzer F., Engelen B., Cypionka H. Acetogens and acetoclastic Methanosarcinales govern methane formation in abandoned coal mines // Applied and Environmental Microbiology. 2011, vol. 77, no. 11, pp. 3749—3756. DOI: 10.1128/AEM.02818-10.

16. Tailakov O. V., Kormin A. N., Zastrelov D. N., Utkaev E. A., Sokolov S. V. Justification of a method for determination of gas content in coal seams to assess degasification efficiency / The 8th Russian-Chinese Symposium. Coal in 21st Century: Mining, Processing and Safety. 2016, pp. 324—329.

17. Whiticar M. J. Carbon and hydrogen isotope systematics of bacterial formation and oxidation of methane // Chemical Geology. 1999, vol. 161, no. 1—3, pp. 291—314.

18. Елисеев А. В. Глобальный цикл метана: обзор // Фундаментальная и прикладная климатология. — 2018. — Т. 1. — С. 52—70. DOI: 10.21513/2410-8758-2018-1-52-70.

19. Barnes R., Goldberg E. Methane production and consumption in anoxic marine sediments // Geology. 1976, vol. 4, no. 5, pp. 297—300.

20. Wang L., Su X., Zhao W., Xia D., Wang Q. Enhancement of biomethane production from coal by supercritical CO₂ extraction // Journal of CO2 Utilization. 2023, vol. 74, article 102545

21. Su X., Zhao W., Xia D. The diversity of hydrogen-producing bacteria and methanogens within an in situ coal seam // Biotechnology for Biofuels. 2018, vol. 11, no. 1, article 245.

22. Литти Ю. В., Ковалев Д. А., Ковалев А. А., Катраева И. В., Ножевникова А. Н. Использование аппарата вихревого слоя для повышения эффективности метанового сбраживания органических отходов // Актуальная биотехнология. — 2019. — № 3 (30). — С. 465—470.

23. Park S. Y., Liang Y. Biogenic methane production from coal: A review on recent applications and future prospects // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2019, vol. 115, article 109363. DOI: 10.1016/j.rser.2019.109363.

24. Nagarajan S., Ranade V. V. Valorizing waste biomass via hydrodynamic cavitation and anaerobic digestion // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2021, vol. 60, no. 46, pp. 16577—16598. DOI: 10.1021/acs.iecr.1c03177.