Внезапный выброс пород и газа
Внезапные выбросы пород и газа (англ. sudden outburst; нем. plotzlicher Ausbruch) — высокоскоростные процессы извержения из разрушенного ударной волной горного массива цельных блоков пород или потоков измельчённой горной массы, газов и флюидов. Известны выбросы углей, калийных солей, алевролитов, аргиллитов, различных сланцев, песчаников, известняков, кварцитов и других пород и минералов.
Физика процесса
[править | править код]Согласно классическому представлению, выброс происходит при лавинообразном превышении упругих напряжений предела прочности пород горного массива в результате потери устойчивости краевой части пласта полезного ископаемого или любого блока пород, находящегося под опорным или консольным давлением, приводящим к его хрупкому разрушению. Существующие гипотезы происхождения выбросов противоречивы. Одни указывают на главную роль в процессе выброса работы сил сжатого газа, создающих в полостях пород избыточное давление, а другие, хоть и признают роль газа, но отводят ему пассивную, второстепенную роль. Существуют гипотезы, которые уравнивают позиции напряжений в горном массиве и давления газа[1].
Существует ряд современных исследований о кинетике и механизме выбросов пород и газа, рассматривающих эти процессы не с позиций законов механики упругого тела и гидродинамики газов, а с позиций электродинамики, сил межатомных взаимодействий и квантовой физики[2][3].
Классификация
[править | править код]Различают наземные и подземные выбросы.
- Наземные выбросы происходят в виде крупномасштабных обвалов в горах в виде взрывов тел вулканов или выбросов тефры при извержениях[4].
- Подземные выбросы происходят в шахтах при добыче полезных ископаемых или при проходке подземных выработок различного назначения. Выделяют инициированные и самопроизвольные внезапные выбросы[5].
Инициированные выбросы происходят в момент, когда ударные волны сейсмических явлений воздействуют на уже напряжённые горные породы посредством упругих колебаний. В этом случае сейсмическая энергия служит спусковым крючком для процесса внезапного выброса и такие процессы внезапных выбросов относят к сейсмическим явлениям. Во втором случае внезапные выбросы генерируются только внутренними, собственными предельными напряжениями в породах, которые в процессе выброса образуют сейсмические волны в горном массиве. В этом случае процессы внезапных выбросов относят к горно-динамическим явлениям.
Количественной характеристикой внезапного выброса является его интенсивность, измеряемая количеством выброшенной горной массы и дальностью выброса, переведённые в энергетические параметры. Внезапные выбросы в горах приводит к завалам долин и перекрытиям русл горных рек, а при подземных выбросах к загазованию и разрушению горных выработок. Огромные выбросы горной массы вулканами приводят к катастрофам мирового уровня. Объёмы выбрасываемых пород в некоторых случаях достигали миллиарда тонн, а газа миллион и больше кубических метров[6].
Выброшенные газы представлены метаном, азотом, водородом, двуокисью углерода и их смесями. Горные породы, участвовавшие в процессах выбросов, существенно различаются по своим физико-химико-механическим свойствам.
Наземные выбросы пород и газа
[править | править код]Примером наземного внезапного выброса пород является обвал, произошедший 18 февраля 1911 года на Памире, когда в результате внезапно возникшего импульса в горном массиве, отторгнутый вершиной горы Усой блок породы объёмом 1,3 — 1,5 км³, пролетел по наклонной дуге более 5 км. Энерговыделение выброса было эквивалентно 2000 атомных бомб, сброшенных на Хиросиму.
Ещё более мощный выброс пород произошёл при извержении вулкана Сент-Хеленс 18 мая 1980 года[7]. Выброс только скальных пород из тела вулкана без учёта массы пепла составил около 2,7 км³.
В 1812 году вулкан Тамбора выбросил около ~ 180 км³ тефры, а его энерговыделение составило около 800 Мт ТНТ[8].
23 августа 2020 года произошёл обвал Скарборовского утёса (Scarborough Bluffs) в Канаде. Обвалу предшествовал взрыв в горном массиве и образование облака ультратонкодисперсной пыли, которая является индикатором любого выброса пород[9]. Исследования с помощью электронных микроскопов показали, что каждая такая пылинка имеет размер в пределах от нескольких микрон до нескольких нанометров[10]. В горной литературе имеются многочисленные описания выделений «бешеной муки» при внезапных выбросах пород. Например, в результате обвала 12 ноября 2007 года на северной стене Айнсера в Сикстинских Доломитах (Италия) было задокументировано, что обвальная масса и прилегающая территория были покрыты слоем бешеной муки толщиной около 10 см[11].
Подземные внезапные выбросы угля и газа
[править | править код]Подземные внезапные выбросы угля и газа происходят во многих странах мира при различных горно-геологических условиях в различных горных породах. Подземные внезапные выбросы представляют угрозу для жизни шахтёров. Одним из наиболее опасных регионов[источник не указан 1455 дней], по данным Научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела, является Кузбасс, на угольных и рудных шахтах которого в период с 1943 по 2005 год зарегистрировано 5470 динамических и газодинамических явления, в том числе: 207 внезапных выбросов, 222 горных и горно-тектонических удара, 42 микро удара, 3599 толчков и более 1400 стреляний. На шахтах Украины за период с 1951 по 2005 год произошло 7230 внезапных выбросов, а в период с 1971 по 1980 год погибло 259 шахтёров.
Первый в мире подземный внезапный выброс породы и газа случился на французской шахте «Исаак» в 1834 году[12].
Самым мощным[источник не указан 1455 дней] подземным выбросом пород и газа считается выброс 14 тысяч тонн угля и около 600 тыс. м³ метана, который произошёл в 1969 году в Украинской ССР. Известен внезапный выброс более миллиона кубометров метана на шахте Санхуба в Китае[13], что эквивалентно примерно суточному дебиту высокопродуктивной скважины на богатых месторождениях горючих газов.
Примечания
[править | править код]- ↑ Ходот В. В. Внезапные выбросы угля и газа. М., ГНТИ, 1961
- ↑ Бычков С. В. Модель очага внезапного выброса пород и газа из горного массива // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. — 2018. — № 4. Архивировано 24 октября 2020 года.
- ↑ Колесниченко И.Е, Артемьев В.Б, Колесниченко У.А, Любомищенко Е. И. Взрывы и выбросы метана: квантовая теория метаносности, выбросоопасности и дегазации угольных пластов. Горная промышленность № 4. 2019
- ↑ Бычков С. В. Крупномасштабные обвалы как геофизический процесс горного удара или внезапного выброса пород и газа. Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности № 2, 2020 стр. 82—91
- ↑ Charlie C. et al. Discussions on rockburst and dynamic ground support in deep mines. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2019.06.001
- ↑ Ветров В. Кракатау-вулкан-убийца. Журнал Большая Азия. 22.07.2019. https://bigasia.ru/content/pub/review/krakatau-vulkan-ubiytsa/ Архивная копия от 5 декабря 2020 на Wayback Machine
- ↑ Вулкан Сент-Хеленс. Видиофайл https://www.youtube.com/watch?v=dzENboNgisw
- ↑ Wood G. Tambora: The Eruption That Changed the World. Princeton University Press. 2014.
- ↑ Xia-Ting Feng Rockburst: Mechanisms, Monitoring, Warning, and Mitigation. University of Wollongong Research Online 2018 https://pdfs.semanticscholar.org/f406/6399174b22547eb48a8c333bbf879a29a39b.pdf Архивная копия от 9 марта 2019 на Wayback Machine
- ↑ Kiryukov V.V. Electron-microscopic studies of vitrinite of Donetsk coals in order to predict sudden emissions of coal and gas. Coal Magazine. 1994. N 5. p. 44-47.
- ↑ Amhof S. So the mountains die. A huge landslide in the Dolomites https://risk.ru/blog/2157 Архивная копия от 20 октября 2020 на Wayback Machine
- ↑ Захаров Е. И., Лавит И. М., Чеботарев П. Н. Природа внезапных выбросов. К 120-летию со дня рождения Л. Н. Быкова // Известия Тульского государственного университета. Науки о земле. — 2016. — № 3. Архивировано 10 ноября 2020 года.
- ↑ Гуменный А. С. Диссертация. Тема — Совершенствование метода непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород на основе сплошных фотоупругих датчиков