Внезапный выброс газа и породы

Внезапный выброс газа и породы — это опасное газодинамическое явление, происходящее в горных выработках, характеризующееся быстрым (в течение секунд или минут) разрушением призабойной части массива горных пород с выделением в выработку большого количества газа (преимущественно метана, реже углекислого газа) и разрушенной породы (угля, соли, песчаника). Является одним из наиболее тяжёлых видов динамических проявлений горного давления, приводящим к травмированию и гибели людей, разрушению оборудования и остановке горных работ.

Природа явления

Внезапный выброс возникает вследствие сложного взаимодействия трёх основных факторов: горного давления, газового давления в порах и трещинах породы, а также физико-механических свойств самого массива. В зоне, прилегающей к забою, формируется область с высокой концентрацией напряжений. При достижении критического уровня напряжений происходит лавинообразное разрушение породы, которое инициируется потерей устойчивости системы «массив — газ».

Основные условия для возникновения выброса:

• Высокая газоносность породы (содержание метана более 8–10 м³ на тонну угля для угольных пластов).
• Пониженная проницаемость массива, препятствующая естественной дегазации.
• Наличие зон тектонических нарушений, трещиноватости или ослабленных прослоев.
• Высокое горное давление на глубинах более 300–400 метров.

История изучения

Первые достоверные описания внезапных выбросов относятся к XVIII веку и связаны с разработкой каменноугольных месторождений во Франции и Бельгии. В России первое зафиксированное явление произошло в 1838 году на шахте «Лисичанская» в Донбассе.

Систематическое научное изучение началось в конце XIX — начале XX века. В СССР в 1930–1950-х годах были разработаны первые классификации выбросоопасных зон и методы прогноза. Значительный вклад в теорию внесли советские учёные В. В. Ходот, И. М. Петухов, А. А. Скочинский, Н. В. Мельников.

В 1970–1980-х годах были созданы математические модели, описывающие механизм выброса как процесс потери устойчивости упруго-газонасыщенной среды. В настоящее время исследования ведутся в направлении совершенствования методов прогноза, создания автоматизированных систем мониторинга и разработки новых способов дегазации.

Классификация внезапных выбросов

Выбросы классифицируются по нескольким признакам.

По типу породы

• Угольные выбросы — наиболее распространённый тип (до 90% всех случаев), происходят при разработке угольных пластов.
• Соляные выбросы — характерны для калийных и каменных соляных месторождений (например, Верхнекамское месторождение в России).
• Породные выбросы — происходят в песчаниках, алевролитах, известняках при проведении выработок по пустым породам.

По масштабу

• Малые — объём выброшенной породы до 10 тонн, газа до 1000 м³.
• Средние — от 10 до 100 тонн породы, газа до 10 000 м³.
• Крупные — от 100 до 1000 тонн породы, газа до 100 000 м³.
• Катастрофические — более 1000 тонн породы и свыше 100 000 м³ газа.

По механизму инициирования

• Самопроизвольные — возникают без внешнего воздействия, при достижении критических напряжений.
• Технологические — спровоцированные буровзрывными работами, отбойкой угля комбайном, проведением выработок.

Механизм и стадии протекания

Процесс внезапного выброса условно делится на три стадии:

1. Подготовительная стадия — накопление упругой энергии в массиве, формирование зоны повышенных напряжений, увеличение газового давления в порах. Эта стадия может длиться от нескольких часов до нескольких суток.
2. Инициирующая стадия — резкое нарушение равновесия (например, при подрубке пласта, взрыве, обрушении кровли). Происходит мгновенное разрушение породы вблизи забоя с образованием полости (выбросной камеры).
3. Основная стадия — лавинообразное разрушение массива, сопровождающееся выносом разрушенной породы и газа в выработку. Скорость выброса может достигать 50–100 м/с. Продолжительность — от нескольких секунд до нескольких минут.

После завершения выброса в массиве образуется характерная полость грушевидной или эллипсоидной формы, ориентированная в сторону наибольших напряжений.

Прогноз и профилактика

Методы прогноза

• Геологические — выявление тектонических нарушений, зон перемятия, аномалий газоносности.
• Геофизические — сейсмоакустический контроль, электрометрические методы, радиоволновое просвечивание.
• Газодинамические — измерение скорости газовыделения, давления газа в скважинах, определение газоносности.
• Механические — определение прочности и трещиноватости пород, оценка напряжённого состояния.

Меры профилактики

• Дегазация — бурение дегазационных скважин, откачка газа из массива до начала горных работ.
• Гидрообработка — нагнетание воды в пласт под высоким давлением для снижения газоотдачи и упрочнения угля.
• Опережающая отработка защитных пластов — выемка менее опасного пласта для снижения напряжений в соседних выбросоопасных пластах.
• Буровзрывные работы с использованием предохранительных патронов — специальные заряды, обеспечивающие плавное разрушение породы.
• Применение выбросоопасных крепей — установка специальных арочных крепей с повышенной податливостью.

Крупнейшие аварии

• Шахта «Ульяновская» (Россия, Кемеровская область), 19 марта 2007 года — один из крупнейших выбросов в истории российской угольной промышленности. Объём выброшенного газа составил около 250 000 м³, погибло 110 человек. Причиной стало нарушение правил безопасности при проведении дегазационных работ.
• Шахта «Распадская» (Россия, Кемеровская область), 8–9 мая 2010 года — серия из двух взрывов метана, спровоцированных внезапным выбросом. Погиб 91 человек. Авария привела к ужесточению требований к газовому мониторингу.
• Шахта «Северная» (Россия, Республика Коми), 25–28 февраля 2016 года — внезапный выброс метана с последующими взрывами и пожаром. Погибло 36 человек. Установлено, что причиной стало ведение горных работ в зоне тектонического нарушения без должного прогноза.
• Шахта «Листвяжная» (Россия, Кемеровская область), 25 ноября 2021 года — выброс метана, приведший к взрыву и задымлению. Погиб 51 человек (в том числе 5 горноспасателей). Авария выявила системные нарушения в организации газового контроля.

Нормативное регулирование в России

В Российской Федерации вопросы безопасности при ведении горных работ на выбросоопасных пластах регулируются:

• Федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» № 116-ФЗ.
• «Инструкцией по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа» (утверждена Ростехнадзором).
• «Правилами безопасности в угольных шахтах» (ПБ 05-618-03 и последующие редакции).

Все шахты, разрабатывающие выбросоопасные пласты, обязаны иметь проекты прогноза и профилактики выбросов, а также системы автоматического газового контроля (САГК). Работы на таких пластах ведутся только по специальным паспортам, утверждённым техническим руководителем шахты.

Современные технологии и перспективы

В XXI веке активно внедряются:

• Автоматизированные системы мониторинга — непрерывное измерение концентрации метана, скорости воздушного потока, давления газа в массиве с передачей данных на диспетчерский пункт.
• Сейсмоакустические системы — позволяют регистрировать микроразрушения в массиве за несколько часов до выброса.
• Георадарное зондирование — выявление зон трещиноватости и газонасыщения впереди забоя.
• Роботизированные комплексы — позволяют вести выемку угля на выбросоопасных пластах без присутствия людей в опасной зоне.

Перспективными направлениями считаются разработка методов активного воздействия на газонасыщенный массив с использованием электромагнитных полей, а также создание прогнозных моделей на основе искусственного интеллекта.

Источники

1. Ходот В. В. Внезапные выбросы угля и газа. — М.: Госгортехиздат, 1961.
2. Петухов И. М., Линков А. М. Механика горных ударов и выбросов. — М.: Недра, 1983.
3. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа. — М.: Ростехнадзор, 2016.
4. Айруни А. Т. Теория и практика борьбы с внезапными выбросами угля и газа. — М.: Недра, 1987.
5. Материалы расследования аварий на шахтах «Ульяновская», «Распадская», «Северная», «Листвяжная» (Ростехнадзор, 2007–2022).