Механизмы разрушения горных пород вокруг подземных выработок
и в очаговых зонах катастрофических событий

В.Н. Опарин, Т.А. Киряева 

ОПАРИН ВИКТОР НИКОЛАЕВИЧ – член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий отделом экспериментальной геомеханики (Институт горного дела им. Чинакала СО РАН, Новосибирск). E-mail: oparin@misd.nsc.ru, 630091, Новосибирск, Красный проспект, 54.
КИРЯЕВА ТАТЬЯНА АНАТОЛЬЕВНА – кандидат технических наук, старший научный сотрудник (Институт угля и углехимии КемНЦ СО РАН, Кемерово). Е-mail: kiryaevata@icc.kemsc.ru

Геомеханические и физико-химические процессы, определяющие выбросо- и пожароопасность угольных пластов Кузбасса

Выполненными исследованиями авторами показано, что существует генетическая связь между выбросо- и пожароопасностью угольных пластов Кузбасса различных стадий метаморфизма, обусловленных спецификой геомеханико-геодинамических и термо-химических условий и их формирования для минувших тектоно-магматических эпох в развитии Земли («геокрекинговый» механизм формирования месторождений углеводородного ряда по В.Н. Опарину). Отмечается, что, в отличие от существующих и доминирующих ныне подходов к моделированию процессов формирования очаговых зон катастрофических событий в массивах горных пород неорганической природы, адекватное решение проблем выбросоопасности и пожароопасности угольных месторождений должно основываться на учете реально существующей тесной связи между геомеханическими и физико-химическими массообменными процессами в многофазных угольных пластах разной стадии метаморфизма при их отработке на заданных глубинах и температурном фоне.

Экспериментально доказано: ИК-радиометрия позволяет дистанционно и оперативно контролировать изменение напряженно-деформированного состояния угольных образцов при их нагружении в реальном масштабе времени; имеет место рост внутренней удельной поверхности частиц отбитого угля, связанной с силой внезапных выбросов угля и газа отрабатываемых угольных пластов и, соответственно, с внутренней энергией упругой релаксации углеметана; существует «единая зависимость» потери массы (Δm) угольных образцов при изменении их температуры с выделением, преимущественно, двух диапазонов: от, примерно, 40 до 60⁰ С (Т₁) и 480–500 ⁰С (Т₂). Изменение массы образцов угля в диапазоне температур Т₂ связано также с внутренней энергией релаксации метаноносности продуктивных пластов; удаление летучих форм угольного вещества в образцах сопровождается энфоэффектами; со временем хранения образцов угля после их извлечения из продуктивных пластов наблюдается ослабление связи газовой компоненты в углеметановом веществе (в том числе связь метана с веществом угля).

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, температура, уголь, выход летучих, удельная поверхность, структура, пористость, плотность, окисление, горение, выбросоопасность, стадии метаморфизма.

Oparin V.N., Kiryaeva T.A.

VIKTOR N. OPARIN, Member-Correspondent, Russian Academy of Sciences, Professor, Doctor of Physics, Director, Chinakal Institute of Mining, SB RAS, Novosibirsk, e-mail: oparin@misd.nsc.ru, 54 Krasny prospect, Novosibirsk 630091, Russia; 
TATIANA А. KIRYAEVA, Ph.D., Senior Researcher (Institute of Coal and Coal Chemistry KemSC SB RAS, Kemerovo), e-mail: kiryaevata@icc.kemsc.ru

Geomechanical and physicochemical processes as determinants of outburst hazard and fire risk in the coal beds of Kuzbass

The authors have carried out the research to demontsrate the genetic affinity of the outburst hazard and fire risk in different rank coal beds in Kuzbass, resulting from specificity of geomechanical, geodynamic and thermochemical conditions and their evolution features during the orogenesis of the Earth (“geo-cracking” mechanism of hydrocarbon deposit formation by V.N. Oparin). It is emphasized that, as distinguished from the existing and dominating approaches to modelling the formation of the source zones of disastrous events in inorganic-nature rock masses, the adequate solution of the problems on outburst hazard and fire risk in coal fields should be based on the actual close relationship of the geomechanical and physicochemical mass-transfer processes running in multiphase coal beds of different rank in the course of mining at the predetermined depth and temperature.

It has been experimentally proved that:

• the infrared radiometry allows a remote control of the change in the stress-strain state of coal samples under real-time loading;
• the growth of inner specific surface area takes place in broken coal particles associated with the force of coal and gas outbursts during mining and, consequently, with the internal energy of elastic relaxation of coal-methane;
• there is a complete relationship between the mass loss Δm and the temperature of coal samples within two marked ranges: T₁, from 40 to 60 ºC and T₂, from 480 to 500 ºC. The coal mass loss within T₂ is also connected with the internal energy of relaxation of coal methane;
• devolatalisation goes with endo-effects;
• in the course of storage time of the coal samples after their extraction from productive strata, weakening of the gas component in the coal-methane substance is observed (including the connection of methane and coal.)

Key words: stress-strain state, temperature, coal, release of volatile gases, specific surface, structure, porosity, density, oxidation, combustion, outburst hazard, metamorphosis stages.

 Скачать статью в формате PDF (скачать Adobe Acrobat Reader)