Нет ничего страшнее для работающих шахтеров, чем внезапные выделения гремучего газа и углекислоты. Увы, эффективных методов прогноза и борьбы с этими выбросами метана пока не существует, но ученые ведут поиск в этом направлении. Так, член-корреспондент РАН Геннадий Грицко (Институт геологии нефти и газа СО РАН) в газете "Наука в Сибири" рассказал о научных разработках для предотвращения подобных катастроф.

Внезапные выбросы угля и газа относятся к динамическим формам газопроявлений при подземной добыче, когда происходит взрывоподобное выделение метана (скорее, смеси газов) и измельченного угля, что приводит к разрушениям, пожарам, зачастую к многочисленным жертвам. К настоящему времени произошло более 30 тыс. таких случаев в шахтах Франции, Бельгии, Германии, Англии, США, Австралии, Польши, Венгрии, Китая, Испании, Турции, Украины, России. А первая подобная катастрофа отмечена во Франции в 1834 г.

Количество выбрасываемого угля различно: от нескольких тонн до 14000 т (1968 г., шахта им. Ю. Гагарина в Донбассе), иногда выделяется до 600000 м метана. В некоторых угольных бассейнах происходит выброс не только метана, но и углекислого газа, водорода или смеси газов.

Самыми опасными в мире считаются украинские угольные разработки. Почти треть их введена в эксплуатацию более 100 лет назад. Только за последние 12 лет в них произошло свыше тысячи бедствий.

В Кузбассе внезапные выбросы отмечаются с 1943 г. С тех пор здесь зафиксировано более 200 случаев, в том числе несколько крупных; две трети из них произошли на шахтах "Центральная", "Северная" в Кемерово и "Ноградская" в Прокопьевске.

Современные представления о состояниях метана в угольных пластах заключаются в том, что газ находится в угле в свободном, адсорбированном, абсорбированном и хемосорбированном виде*. Ну а поскольку уголь обладает весьма развитой трещиноватой и поровой системами, то этот газ там и накапливается. Большая часть его внедрена в межмолекулярное пространство угля (твердый раствор), что явилось результатом метаморфизма, а также совместным воздействием газового давления и тектонических напряжений. Виды состояний метана обычно находятся в динамическом равновесии: "уголь-метан-природная влага".

Существует несколько разноречивых гипотез о формировании взрывоопасных зон. По мнению академика Сергея Христиановича (одного из инициаторов создания СО АН СССР**), при изменении напряженно-деформированного состояния пласта в результате техногенного воздействия, в нем происходят необратимые процессы на уровне микроструктур, содержащих молекулы растворенного метана. При этом образуются области высокодисперсного угля, содержащего природные наночастицы. Они являются зонами нестабильности, претерпевают физические и физико-химические изменения свойств массы; система становится метастабильной, и метан переходит из связанного состояния в свободное.

По мнению других ученых, опасные зоны выбросов могут формироваться в результате структурно-химических преобразований углей в процессе механохимических реакций, обусловленных деформированием пласта при воздействии тектонических и техногенных напряжений. Органическая его масса подвергается механохимической активации и деструкции. При этом нарушаются наиболее слабые внутримолекулярные связи и происходит активационная механоэмиссия и десорбция метана.

* См.: А. Рубан, В. Забурдяев. Шахтный метан. - Наука в России, 2006, N 3 (прим. ред.).

** См.: Н. Добрецов. Первое региональное. - Наука в России, 2007, N 4 (прим. ред.).

стр. 9

В свою очередь, петрогенетические гипотезы говорят о том, что ископаемый уголь традиционно рассматривается как продукт метаморфизма осадочного органического вещества без учета воздействия на него водород-углеводородных и других флюидов. Последние же, находясь в глубинах, несут в своем составе металлоорганические соединения. В угольных пластах происходит осаждение металлов, твердого углерода и образование углеметановых растворов. В зонах тектонических нарушений в углях отмечается повышенное содержание некоторых переходных металлов. В результате при снижении внешнего давления может происходить взрыв.

Существуют также предположения о нахождении метана в угольных пластах в виде газовых гидратов, распадающихся при падении внешнего давления, повышении температуры при техногенном воздействии с образованием свободного метана и его выбросом*.

Автор рассматриваемой статьи подчеркивает: данные теории лежат между противоположными, взаимоисключающими полюсами - от отсутствия метана в пласте и появления его при техногенном воздействии до газонасыщенности пластов за счет подпитки флюидами из недр. Однако все чисто механические эксперименты по "сорбции-десорбции" метана углем в лабораторных условиях в принципе не согласуются с химическими превращениями вещества угля (реакция прошла и она необратима). Впрочем, и химические воззрения на преобразование вещества углей с выделением или даже образованием метана также не согласуются с фактами выбросов углекислого газа (они в несколько раз мощнее таковых с метаном) и т.п.

По мнению Геннадия Грицко, происходящее можно объяснить только многообразием видов всех указанных явлений, генетических факторов и механизмов процесса внезапных выбросов. Проблема в том, чтобы перевести эти классификации, а следовательно, методы прогноза и борьбы с катастрофами в шахтах на современный мультидисциплинарный научный уровень.

Остаются совершенно неизученными процессы кинетики образования, выделения и выброса метана из угольного пласта. То, что изучали и устанавливали прежде, не проверяли на современном приборном оборудовании.

Неизученными остаются и геомеханические процессы, приводящие к механохимическому образованию или выбросу метана. Не ясно, почему одинаковые геомеханические ситуации не всегда завершаются выбросом. Главная проблема в том, что все объяснения находятся после выброса, а не до него.

Конкурентоспособность угля, "вторая угольная волна" в России, перспективы угля как альтернативного энерготехнологического источника неотделимы от безопасности и высокотехнологичности его добычи.

Грицко Г. Внезапные выбросы метана в шахтах. - "Наука в Сибири", 2007, N 32

Материал подготовила Маргарита ФИЛИМОНОВА

* См.: Альтернативное топливо. - Наука в России, 2007, N 4 (прим. ред.).