Газ, пыль, выбросы угля и газа в шахтах

 
 
 
 
ǩ. Ǹ. ǮȇȈȚȗȋȦȌȉ, ǵ. Ǵ. dzȇȒȏȔȔȏȑȕȉȇ 
 
 
 
 
 
ǪǧǮ, ǶȂDzȃ, ǩȂǨǷǵǸȂ ǺǪDzȆ ǯ ǪǧǮǧ ǩ ǿǧǼǹǧǼ 
 
dzȕȔȕȊȗȇțȏȦ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
dzȕȘȑȉȇ    ǩȕȒȕȊȋȇ 
«ǯȔțȗȇ-ǯȔȍȌȔȌȗȏȦ» 
2024 
1 

УДК 622.2/.333 
ББК 33.31 
З-12 
 
 
Р е ц е н з е н т ы :  
доктор технических наук, ведущий научный сотрудник  
ЗАО НТЦ Промышленная безопасность Подображин Сергей Николаевич; 
доктор технических наук, заведующий кафедрой безопасности и экологии  
горного производства НИТУ «МИСиС» Коликов Константин Сергеевич 
 
 
 
 
 
Забурдяев, В. С. 
З-12  
Газ, пыль, выбросы угля и газа в шахтах : монография / В. С. Забурдяев, О. Н. Малинникова. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 
152 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1569-9 
 
Обобщены материалы по газоносности угольных и антрацитовых 
пластов. Показано изменение метаноносности углей в зависимости от 
стадии их метаморфизма и глубины залегания. Рассмотрена роль микроструктуры и вещественного состава углей в пылеобразовании. 
Для научных и инженерно-технических работников угольной промышленности, а также студентов горного профиля. 
 
УДК 622.2/.333 
ББК 33.31 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1569-9 
© Забурдяев В. С., Малинникова О. Н., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2 

1. УГОЛЬНЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ 
 
1.1. ПРИРОДНЫЙ УГОЛЬ 
 
Природный уголь – сложный продукт длительного воздействия на растительные остатки биологических, химических и тектонических факторов в условиях высоких температур и давлений, прошедший ряд стадий метаморфизма, в 
результате которых изменения химического состава и коллоидной структуры 
исходного материала сформировали пористую структуру угля, способную 
удерживать большие количества газа (в природных условиях отечественных 
месторождений – метана метаморфического происхождения). 
Характерным свойством угля, определяющим его прочностные, упругие и 
газодинамические свойства является нарушенность строения (трещиноватость). 
Наиболее широко используется классификация тектонической нарушенности 
углей Донбасса, предложенная Геологическим институтом АН [49] на основе 
обследования 63 шахт, изучения строения 170 шахтопластов и микроскопического изучения шлифов и аншлифов более 3000 образцов, в соответствии с которой различаются пять степеней нарушенности строения углей разных стадий 
метаморфизма (марки Г, Ж, К, ОС, Т и А). Возросли объёмы добычи угля в ряде стран: в Китае и США – свыше 1 млн тонн; России, Германии, Индии, 
Польше – до 200 – 350 млн т. Среднедушевое потребление угля составило в 
США – 3,4 т, Германии – 3,6 т, России – 2,9 т, Китае – 0,98 т. 
Исследования, выполненные в рамках проблемы комплексного освоения 
недр Земли и новых технологий извлечения полезных ископаемых из минерального и техногенного сырья [12], позволили оценить ресурсы метана газоносных месторождений России, определить метанообильность угольных шахт и 
количественные показатели метановыделения в шахтах при различных технологиях выемки пластов угля и способах управления газовыделением, сформулировать научные, организационные и технические задачи по концепции добычи метана на угольных шахтах, методическим основам и методике прогнозирования ресурсов метана и объемов его извлечения. 
Многолетними исследованиями, проведенными в различных угольных 
бассейнах России и других стран СНГ, изучены вопросы генезиса газов угольных месторождений, их химический состав, условия миграции газов в угленосных отложениях, установлены основные физико-химические факторы, обусловливающие коллекторские свойства углей и пород, а также решены многие 
вопросы выделения газов в горные выработки шахт [4, 9, 13]. Результаты труда 
ученых и геологов нашли отражение в нормативно-методическом документе 
«Инструкция по определению и прогнозу газоносности угольных пластов и 
3 

вмещающих пород при геологоразведочных работах» [13] и «Инструкции по 
дегазации угольных шахт» [14]. 
Угленосные отложения в бассейнах и месторождениях России, так же, 
как и в углегазовых месторождениях других стран мира, характеризуются 
преимущественно неравномерным распределением газоносности, геологические условия весьма разнообразны для образования газосодержащих отложений. Угленосность и степень метаморфизованности углей крайне изменчивы, 
наблюдается довольно резкое изменение метаморфизма углей, встречаются 
слабометаморфизованные антрациты, преобладают угли средних стадий метаморфизма [5]. С ростом метаморфизма углей возрастает газоносность 
угольных пластов.  
 
Таблица 1.1 
Изменение метаноносности угольных пластов от марки углей 
Марка угля 
Метаноносность угольных пластов, м3/т с.б.м. 
Б 
2–4 
Д 
4–8 
Г 
8–12 
Ж 
12–15 
К 
15–26 
ОС 
26–32 
Т 
32–38 
А8–А9 
38–42 
А10–А11 
42–2 
А12–А14 
2–0 
 
Обобщение материалов по газоносности угольных и антрацитовых пластов на примере Донецкого бассейна позволило исследователям подразделить 
его территорию на 3 основные площади: площадь неметаноносных высокометаморфизованных антрацитов, переходную площадь, где распространены метаноносные каменные угли, и площадь слабометаморфизованных антрацитов [4]. 
В районах залегания высокометаморфизованных антрацитов угленосная толща 
практически не содержит метана в пределах изученных глубин (до 1600 м). 
Метаноносность угольных пластов зависит от геологических факторов, в 
числе которых основными являются история геологического развития бассейнов, тектоническое строение месторождения, угленосность отложений, петрографический состав углей, литологический состав и коллекторские свойства 
4 

вмещающих пород, а также характер покровных отложений, гидрогеологические условия, многолетняя мерзлота и пр. Практическое значение из них на 
объемы содержания метана в угленосных отложениях настоящего времени 
имеют тектоника месторождения, угленосность отложений, петрографический 
состав углей и коллекторские свойства пород [7]. 
При прочих равных условиях на одних и тех же глубинах метаноносность 
угольных пластов в закрытых осевых частях антиклиналей и в примыкающих к 
ним зонах более высокая, чем в моноклиналях и крыльях складок, в которых 
пласты имеют выход под наносы. Крутозалегающие пласты деметанизируются 
на большую глубину по вертикали, чем пологие. Дизъюнктивные нарушения в 
зависимости от их газопроницаемости могут являться как путями миграции газов, так и экранами, способствующими накоплению газов. Открытые дизъюнктивы дегазируют угленосную толщу. Газоносность угленосных отложений, 
изученная геологами применительно к каменноугольным месторождениям России, учитывается при оценке геологических ресурсов метана. При нынешнем 
развитии технологии и техники они, к сожалению, не могут быть рентабельно 
извлечены. Добыча метана возможна только при подземной разработке угольных месторождений [2, 3]. 
Влияние петрографического состава углей на метаноносность угольных 
пластов проявляется в газовых, жирных и коксовых углях, метаноемкость которых увеличивается по мере повышения содержания в них фюзинита. Петрографический состав длиннопламенных, тощих и более метаморфизованных углей 
на их метаноносность оказывает менее заметное влияние. Повышенное содержание микрокомпонентов группы витринита способствует увеличению числа 
трещин в угле и повышению его газопроницаемости. Более высокое содержание фюзинита в углях увеличивает их сорбционную метаноемкость [7]. 
Влияние глубины залегания пластов угля и марки углей на фактическую 
метаноносность пластов при различной глубине верхней границы метановых 
газов на примере Кузнецкого бассейна приведено в таблице 1.2. Природная метаноносность углей увеличивается от длиннопламенных до коксующихся и 
снижается от коксующихся до антрацитов. При этом с глубиной залегания пластов метаноносность углей всех марок в Кузбассе возрастает [2, 3].  
Учитывая большие колебания в числовых значениях метаноносности 
угольных пластов и антрацитов целесообразно решать проблему оценки ресурсов метана и возможных объемов его извлечения с учетом природных свойств 
углей в условиях конкретных месторождений угля и горных отводов угольных 
шахт, отдавая предпочтение перспективным метаноносным бассейнам, месторождениям и отдельным шахтам. К их числу в первую очередь следует отнести 
Кузнецкий угольный бассейн и Воркутское месторождение. 
 
5 

Таблица 1.2 
Изменение метаноносности углей Кузбасса в зависимости  
от стадии их метаморфизма и глубины залегания 
Природная метаноносность угля (м3/т г.м.) 
на глубине (м) 
Марка 
угля 
Глубина залегания 
верхней границы  
метановой зоны, м 
до 300 
300–600 
600–900 
900–1200 
1200–1800 
Д 
65–225 
2–10 
11–15 
14–18 
16–20 
17–21 
Г 
65–270 
2–15 
12–20 
16–24 
19–27 
21–30 
Ж 
65–180 
3–16 
13–21 
17–25 
20–30 
22–35 
К 
100–370 
3–17 
15–25 
20–30 
23–34 
25–38 
ОС 
70–300 
3–13 
12–20 
18–28 
21–34 
22–36 
Т 
70–300 
4–15 
12–24 
17–28 
22–35 
25–40 
А 
80–250 
5–12 
11–20 
18–29 
25–36 
– 
 
Промышленные ресурсы метана угольных месторождений устанавливаются подсчетом запасов угля и метана, как попутного полезного ископаемого, при 
геолого-экономической оценке запасов на основе данных о метаноносности углей и пород. Они могут быть оценены также по метаноносности углей на основе 
прогноза метановыделений из угольных пластов с учетом долевого их участия в 
газовом балансе выемочного участка и шахты или по данным ретроспективного 
анализа добычи угля и выделений метана в угольных шахтах [15, 16]. 
Геолого-экономическая оценка и подсчет запасов метана в угольных пластах осуществляются в соответствии с действующими нормативно-методическими требованиями. Геологической основой подсчета служат закономерности 
распределения природных газов в угольных месторождениях, количественные 
характеристики метаноносности угольных пластов и их изменение с глубиной 
залегания и по площади шахтных полей. 
 
1.2. ЗАПАСЫ УГЛЯ НА ГОРНЫХ ОТВОДАХ ШАХТ 
 
Основными угледобывающими бассейнами по подземной добыче угля в 
России являются Кузнецкий и Печорский. В Кузнецком бассейне как по запасам, 
так и по добыче угля подземным способом проектная производственная мощность составляет 59,6 %, балансовые и промышленные запасы угля – 70,1 % и 
69,2 % соответственно. В Печерском угольном бассейне производственная 
мощность шахт – 18,6 %, балансовые запасы угля составляют 1133 млн т. Против 6725,5 млн т в Кузбассе, промышленные запасы – 828,9 млн т, против 
3889,9 в Кузбассе. Шахты Воркуты самые глубокие в России, некоторые из них 
превысили километровую отметку. 
6 

На горных отводах действующих в регионах России шахт и предприятий 
по добыче угля газоносность пластов различна. Обеспеченность промышленными запасами угля в различных регионах России составляет от 30 до 65 лет, а 
на отдельных предприятиях угледобывающих компаний, причем на газоносных 
месторождениях, от 25 до 140 лет [1–4]. 
Угольные месторождения России наиболее метанообильные в мире [1–4]. 
Метаноносность пластов при марках углей от бурых до антрацитов (А8–А9) 
возрастает от 2–4 до 38–42 м3/т с.б.м. Показательными в этом плане являются 
угольные пласты Кузбасса. Чем больше метаноносность угольных пластов, тем 
выше метанообильность шахт. Наиболее производительные из них административно входят в состав АО «СУЭК», АО ОУК «Южкузбассуголь», АО УК «Кузбассуголь», АО УК «Южный Кузбасс», АО ПО «Сибирьуголь», АО «Воркутауголь». В числе самостоятельных шахт – это ЗАО «Распадская», АО «Воргашорская» и шахта «Заречная», разрабатывающие преимущественно пологие угольные пласты. 
Горно-геологические условия разработки пластов угля Воркутского месторождения свидетельствуют о том, что: 
1) шахты наиболее глубокие в России,  
2) рабочие пласты весьма сближенные,  
3) пласты угля наиболее метаноносные и опасные по газодинамическим 
явлениям и горным ударам,  
4) угли пластов опасны по взрывам угольной пыли,  
5) кровли пластов труднообрушаемые. 
Геология газов угольных месторождений определяется их газонасыщеностью, вековой миграцией газов, газоносностью и газопроницаемостью пластов 
угля и пород, условиями их залегания и другими факторами [6–10]. К числу основных газов угольных месторождений относятся метан, температура воспламенения которого в воздухе изменяется в пределах 650–750 °С, окись углерода 
(610–658 °С), водород (530–590 °С), сероводород (290–320 °С). Процессы формирования взрывоопасных ситуаций в угольных шахтах протекают значительно быстрее при наличии в рудничной атмосфере гибридных смесей в различных сочетаниях и объемах метана, сероводорода, оксида углерода, тонкодисперсной угольной пыли [2, 5]. 
Оценена интенсивность выделения метана и угольной пыли в условиях 
угольных шахт в процессе разрушения массива угля комбайном и выноса пыли 
потоками воздуха, протекающего по сети выработок, а также содержание в углях других взрывоопасных веществ и газовых компонентов, способствующих 
формированию в забоях взрывоопасных ситуаций [11–13] или отрицательно 
влияющих на дыхание шахтеров. 
7 

Содержание в углях петрографических групп витринита и фюзинита, семивитринита и лейптинита, выхода летучих веществ предопределяет интенсивность выделения метана в шахтную атмосферу. 
Содержание метана в рудничной атмосфере невзрывоопасную пыль антрацита делает взрывоопасной. При повышении содержания в углях микрокомпонентов группы витринита с 35–50 % до 85–90 % смещает начало его термического разложения, а также снижает его энергию активации с 77,7 до  
9,8 кДж/моль соответственно при понижении температуры с 130–110 до 90–84 °С. 
Скорость выделения летучих веществ в процессе прогрева угольной пыли до 
300 °С увеличивается с 0,025 до 0,7 см3/с⋅г [12–14]. Количественное содержание 
элементов в углях необходимо учитывать при определении показателей сорбции углей. 
Наиболее взрывчатая угольная пыль состоит из частиц размером менее 
100–60 мкм, а присутствие в ней микрокомпонентов группы лейптинита и 
взрывоопасных фракций пирита при его содержании в угле от долей до первых 
процентов ускоряет развитие процесса воспламенения и взрыва метанопылевоздушной смеси. При этом после взрыва угольной пыли содержание микрокомпонентов лейптинита снижается в 20 раз, пирита в 8 раз, витринита в 1,3 раза. Изменяется и содержание петрографических компонентов (табл. 1.3). 
 
Таблица 1.3 
Содержание в углях петрографических разностей, пирита  
и минеральных примесей 
Условия 
Содержание (среднее), % 
Витринит Фюзинит Семивитринит Лейптинит Пирит Минеральные 
примеси 
До воспламенения 
и горения 
69,7 
12,4 
11,7 
2,0 
1,2 
4,3 
После  
воспламенения  
и горения 
54,4 
21,3 
18,2 
0,1 
0,15 
6,1 
Снижение  
содержания 
1,3 
– 
– 
20 
8 
– 
Увеличение 
содержания 
– 
1,7 
1,7 
– 
– 
1,4 
 
Особые характеристики присущи сероводороду. При температуре 20 °С 
и давлении 0,1 МПа нижний предел температуры его воспламенения составляет 290–320 °С, начало термического разложения – 310 кДж/моль, пределы 
взрывоопасных концентраций по объему – 4,3–4,5 % энергия разрыва связей –  
8 

кДж/моль, дипольный момент 0,68 [1, 2]. Эти показатели ставят сероводород на ведущее место по степени взрывоопасности газов. 
Таким образом, присутствие в углях Кузбасса и Воркутского угольного 
месторождения сероводородсодержащих веществ отводит особую роль сероводороду в процессе формирования взрывоопасных ситуаций на выемочных 
участках метанообильных шахт. Определен элементарный состав углей. Оценено влияние петрографических компонентов на метаноносность углей и интенсивность выделения метана и тонкодисперсной пыли в рудничную атмосферу. Отмечена потенциальная взрывоопасность газов и пыли при фрикционном 
искрении, возникающем при работе очистных комбайнов в зонах пласта, содержащего пирит. 
 
1.3. ПЕТРОГРАФИЧЕСКИЙ СОСТАВ УГЛЕЙ 
 
Исследование влияния выхода летучих веществ на метаноносность пластов угля, петрографических микрокомпонентов фюзинита и витринита на интенсивность начального выделения метана в скважины и темпа его снижения во 
времени выполнено на 15 пластах Кузбасса. Отмечена удовлетворительная сходимость прогнозных и измеренных величин газовыделения в скважины предварительной дегазации пластов угля. Результаты исследования отражены на номограммах, по которым возможно прогнозировать показатели газоотдачи пластов угля в скважины предварительной дегазации. 
Вещественный состав углей рассматривается как совокупность данных о 
минералогических включениях в твердых полезных ископаемых, о химических 
соединениях минералов и петрографических разновидностей, существенно влияющих на процессы и параметры газовыделений в шахтах. При этом основные 
петрографические компоненты углей выделены в группы витринита, семивитринита, фюзинита и лейптинита с их микрокомпонентами как органической, так и 
минеральной природы, сложностью элементного и химического состава [2–5]. 
В зависимости от состава углей процентное содержание углерода в них 
возрастает по мере роста степени метаморфизма углей, а водорода и кислорода – снижается. При этом отмечена тесная зависимость физико-механических 
и химико-технологических свойств углей от их петрографического состава и 
степени метаморфизма [2]. В комплексе физико-механических свойств выделены мощность пластов угля, его прочность, трещиноватость, пористость, метаноемкость, выбросоопасность и пр. Угли марки К имеют пониженную прочность, марок Г и Д – более высокую. Чем однороднее уголь, тем меньше в нем 
встречаются фюзеновые прослои. Наибольшей эндогенной трещиноватостью 
характеризуются витринитовые угли средних стадий метаморфизма. 
9 

Известные методы изучения петрографии углей позволяют раздельно 
оценивать сложность их состава и степень метаморфизма, прогнозировать 
свойства углей. Но горной наукой пока не раскрыты связи вещественнопетрографического состава углей с процессами и параметрами газовыделения 
из угольных пластов в выработки и дегазационные скважины, что весьма актуально для шахт, разрабатывающих газоносные пласты, и пласты, опасные и 
склонные к внезапным выбросам угля и газа. Только показатель выхода летучих веществ Vdaf в некоторой степени является исключением, поскольку он используется в инструкции [15] при определении параметров скважинной дегазации угольного массива. 
ПоказательVdaf как количественная характеристика углей (табл. 1.4) широко используется при промышленной классификации углей различных марок, 
наряду со спекаемостью углей по величине пластического слоя y (мм). Группы 
микрокомпонентов в углях Кузбасса разнообразны и изменяются в значительных пределах (табл. 1.4), что требует более глубокого изучения количественного их состава, причем применительно к горным отводам шахт. 
 
Таблица 1.4 
Промышленная классификация каменных углей Кузнецкого бассейна 
Марка угля 
Технологическая группа 
Vdaf, % 
y, мм 
Д 
– 
37 
– 
Г6 
37 
6–16 
Г 
Г17 
37 
17–25 
ГЖ 
– 
31–37 
6–25 
Ж 
ГЖ26 
Не более 33 
Не менее 26 
2Ж26 
То же 
То же 
КЖ 
КЖ14 
25–31 
14–25 
КЖ6 
25–31 
6–13 
К 
К13 
25 
13–25 
К10 
17–25 
10–12 
К2 
– 
17–25 
6–9 
1СС 
25–37 
Не менее 18 
СС 
2СС 
17–25 
Не более 17 
Т 
– 
Менее 17 
Не более 15 
 
Исследованиями процессов газовой динамики, протекающих в пластах 
угля, и параметров предварительной дегазации угольных массивов установле10