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

Из истории горного дела известно, что первый в мире подземный внезапный выброс породы и газа случился на французской шахте «Исаак» в 1834 году. Согласно классическому представлению учёных, 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 гипотезы 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 [5]. Указанные гипотезы были разработаны в середине 20 века и представляют собой научные труды, рассматривающие только подземные процессы внезапных выбросов пород и газа и только с позиций законов механики упругого тела и гидродинамики газов. Наземные выбросы в виде внезапных обвалов, взрывов вулканов и извержений из жерл тефры, ни гипотезы прошлых лет, ни современные гипотезы не рассматривают. Несмотря на огромное количество статистического материала, накопленного за многие годы изучения подземных внезапных выбросов пород и газа, разработанные гипотезы не отражают современный уровень знаний, полную картину этого явления, его физическую сущность и кинетический механизм. Именно в этом ключе о проблеме внезапных выбросов пород и газа на современном этапе развития геофизики и горного дела высказался видный российский учёный, член-корреспондент РАН Грицко Г. В статье [6] корифей горной науки назвал основные загадки и парадоксы внезапных выбросов пород и выразил царящую в геофизическом научном сообществе обескураженность и общую тенденцию откровенной растерянности в связи с отсутствием заметных результатов многолетних исследований этой проблемы. Вместе с тем 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, постулатов Н. Бора и теории квантования систем [7, 8].

Классификация

Различают наземные и подземные выбросы. Наземные выбросы происходят в виде крупномасштабных обвалов в горах в виде взрывов тел вулканов или выбросов тефры при извержениях.

Подземные выбросы происходят в шахтах при добыче полезных ископаемых или при проходке подземных выработок различного назначения. Существуют инициированные и самопроизвольные внезапные выбросы. 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 напряжёниями 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. Выброшенные газы представлены метаном, азотом, водородом, двуокисью углерода и их смесями. То, что уголь, песчаники, калийные соли, порфириты и другие породы участвовавшие в процессах выбросов существенно различаются по своим физико-химико-механическим свойствам указывает на то, что механизм и процесс выброс способен к реализации при широком спектре пород и горно-геологических условий их залегания.

Наземные выбросы пород и газа

Ярким примером наземного внезапного выброса пород является обвал произошедший 18.02.1911 года на Памире, когда в результате внезапно возникшего импульса в горном массиве, отторгнутый вершиной горы Усой блок породы объёмом 1.3 — 1.5 км3, как миномётный снаряд пролетел по наклонной дуге более 5 км. Энерговыделение выброса составило ~1.1× 1017 Дж., или 26.3 Мт. ТНТ, что равно мощности взрыва ~ 2000 атомных бомб сброшенных на Хиросиму. Ещё более мощный выброс пород произошёл при извержении вулкана Сент-Хеленс 18 мая 1980 года [10]. Так выброс только скальных пород из тела вулкана без учёта массы пепла составил ~ 2.7 км3. Но и это оказалось не пределом. В 1812 году вулкан Тамбора выбросил около ~ 180 км3 тефры, общей массой 1,4×1014 кг, а его энерговыделение составило чудовищную цифру ~ 800 Мт. ТНТ [11]. Самым свежим примером подобных событий может служить обвал Скарборовского утёса (Scarborough Bluffs) в Канаде произошедший 23.08.2020. Скарборовскому обвалу предшествовал взрыв в горном массиве и образование облака ультра тонкодисперсной пыли «бешеной муки». Известно, что "бешеная мука"является обязательным атрибутом и индикатором любого, неважно наземного или подземного выброса пород [12]. Осмотр мест случившихся выбросов показал, что пылевая взвесь имеет такой тонкий «помол», что наводит на мысль, что горный массив разрушился не только от напряжения горного массива, но и по причине выброса твёрдого раствора газа из внутримолекулярного пространства пород, внезапно перешедшего в свободное состояние. Исследования с помощью электронных микроскопов [13] показали, что каждая такая пылинка имеет размер в пределах от нескольких микрон до нескольких нанометров. 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 [14], что обвальная масса и прилегающая территория были покрыты слоем бешеной муки толщиной около 10 см.

Подземные внезапные выбросы угля и газа

Подземные внезапные выбросы угля и газа происходят во многих странах мира при различных горно-геологических условиях в различных по своим физико-механическим свойствам породах. Подземные внезапные выбросы представляют угрозу для жизни шахтёров. Одним из наиболее опасных регионов, по данным Научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела, является Кузбасс, на угольных и рудных шахтах которого в период с 1943 по 2005 гг. 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 гг. произошло 7230 внезапных выбросов, а в период с 1971 по 1980 гг. погибло 259 шахтёров. Самым мощным подземным выбросом пород и газа считается выброс 14 тысяч тонн угля и около 600 тыс. м³ метана, который произошёл в 1969 году в Украине. Известен внезапный выброс более миллиона м³ газа метана на шахте Санхуба в Китае[15], что ~ эквивалентно суточному дебиту высокопродуктивной скважины на богатых месторождениях горючих газов.

Если рассматривать геофизические процессы землетрясений, горных ударов, взрывов и извержений вулканов с позиции движения и перемещения значительных горных масс и газа за счёт собственной энергии горных массивов, которые происходили и регулярно происходят в окружающем нас мире, то мы можем указанные явления отнести к одному процессу — процессу внезапного выброса пород и газов из горного массива. Следовательно, механизм образования энергии этих процессов один и может различаться лишь геофизическими и энергетическими параметрами и нюансами, в зависимости от горно-геологических условий пребывания горного массива.

Литература:

1. 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

2. Charlie C. et al. Discussions on rockburst and dynamic ground support in deep mines. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2019.06.001

3. Ветров В. Кракатау-вулкан-убийца. Журнал Большая Азия.22.07.2019. https://bigasia.ru/content/pub/review/krakatau-vulkan-ubiytsa/

4. Захаров Е. И. Лавит И. М. Чеботарёв П. Н. Природа внезапных выбросов. К 120 летию рождения Л. Н. Быкова Известия ТулГу. Науки о Земле. 2016. Вып.3 https://cyberleninka.ru/article/n/priroda-vnezapnyh-vybrosov-k-120-letiyu-so-dnya-rozhdeniya-l-n-bykova/viewer

5. Ходот В. В. Внезапные выбросы угля и газа. М., ГНТИ, 1961

6. Грицко Г. Внезапные выбросы метана в шахтах. Нацка в Сибири. N 32-33 (2617—2618) 23 августа 2007 г. http://www.nsc.ru/HBC/article.phtml?nid=428&id=17

7. Бычков С. В. Модель очага внезапного выброса пород и газа из горного массива. Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. № 4. 2018. Стр.80-90, https://cyberleninka.ru/article/n/model-ochaga-vnezapnogo-vybrosa-porod-i-gaza-iz-gornogo-massiva

8. 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

9. Васьков И. М. Крупномасштабнаые обвалы: геодинамика и прогноз. Владикавказ http://www.skgmi-gtu.ru/Portals/0/_Monographs/2266-%D0%BC.pdf?ver=2019-02-13-162736-707

10. Вулкан Сент-Хеленс. Видиофайл https://www.youtube.com/watch?v=dzENboNgisw

11. Wood G. Tambora: The Eruption That Changed the World. Princeton University Press. 2014.

12. Xia-Ting Feng Rockburst: Mechanisms, Monitoring, Warning, and Mitigation. University of Wollongong Research Online 2018 https://pdfs.semanticscholar.org/f406/6399174b22547eb48a8c333bbf879a29a39b.pdf

13. 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.

14. Amhof S. So the mountains die. A huge landslide in the Dolomites https://risk.ru/blog/2157

15. Гуменный А. С. Диссертация. Тема — Совершенствование метода непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород на основе сплошных фотоупругих датчиков

Примечания

Категория:Сейсмология