Внезапный выброс — самопроизвольное мгновенное разрушение части пласта полезного ископаемого с последующим выбросом газа, твёрдого полезного ископаемого (уголь, соль) или вмещающей породы в подземную горную выработку из призабойной зоны массива. Продолжительность внезапных выбросов составляет несколько секунд. Внезапные выбросы угля и газа как газодинамическое явление известны более 140 лет. Первый случай произошел в 1834 г. во Франции на шахте «Изаак», затем в Бельгии в 1847 г. На территории стран СНГ первый внезапный выброс угля и газа произошел в 1906 г. на шахте «Новая Смолянка» на глубине 711 м [1].
В процессе внезапного выброса в массиве полезного ископаемого или горных пород образуется полость грушевидной или кармановидной формы, размером от нескольких до десятков метров (рисунок).
Схема типичного внезапного выброса угля и газа
Объём выброшенной горной массы в горную выработку может достигать нескольких тысяч тонн. Количество выделяемого природного газа от десятков кубических метров до десятков и даже сотен тысяч. Всю массу выброшенного угля покрывает тонкодисперсная угольная пыль — «бешеная мука» (толщина ее достигает нескольких десятков сантиметров), а массив горных пород — частицы чешуйчатой, пластинчатой формы.
Сила этого газодинамического явления измеряется количеством выброшенного полезного ископаемого — интенсивностью, которая изменяется от нескольких десятков килограммов до нескольких сотен и даже тысяч тонн. Самый мощный в мире внезапный выброс — 14 тыс. т выброшенной массы угля и около 600 тыс. м3 газа метана произошёл в 1968 г. в Донбассе на шахте им. Ю.А. Гагарина при вскрытии квершлагом крутого пласта «Мазурка» мощностью 1,3 м на глубине 750 м. Квершлаг был засыпан углём на протяжении 650 м.
Внезапные выбросы в большинстве случаев приурочены к тектоническим нарушениям. Чаще всего внезапные выбросы угля происходят на глубине свыше 250 м, а породы и газа — более 400 м (песчаников — более 700 м).
Последствиями внезапных выбросов угля и газа являются: заполнение горных выработок выброшенным углем на протяжении десятков метров; загазование выработок по исходящим струям участков и шахты, а также опрокидывание свежей струи воздуха в выработках на большом расстоянии; повреждение оборудования, крепи; гибель людей. Были случаи гибели большого числа людей и выхода из строя всей шахты.
В СССР на конец 80-х годов прошлого столетия выбросы угля и газа были зарегистрированы на 346 шахтопластах, разрабатываемых 127 шахтами, из которых на Донбасс приходилось 93 шахты, Кузбасс — 14, Карагандинский бассейн — 10, Печорский — 5. Несколько шахт, разрабатывавших весьма опасные по внезапным выбросам пласты, были закрыты. Причиной закрытия одной из угольных шахт послужил крупный выброс при вскрытии пласта квершлагом. Выброшенный метан опрокинул поступающую в шахту свежую струю воздуха и несколько раз взорвался в стволе и надшахтном здании [2].
Только в Донбассе за период 1946-1973 гг. было зарегистрировано около 1475 внезапных выбросов. В других бассейнах и месторождениях СССР за этот период произошло 687 таких случаев. В Карагандинском бассейне за период с 1959 по 1996 гг. произошло 53 внезапных выброса угля и газа.
В Европе внезапные выбросы угля и газа были наиболее распространены в угольных месторождениях Франции и Бельгии. Во Франции только в бассейне Севенна к 1970 г. было зарегистрировано более 6300 случаев внезапных выбросов, силой от 20 до 5600 т угля. В Бельгии сила выбросов достигла 1600 т угля. В этот период во Франции и Бельгии наиболее выбросоопасные шахты были закрыты.
Природе внезапных выбросов угля и газа, разработке гипотез, теоретических соображений и взглядов, разработке мер борьбы и методов прогнозирования посвятили свои работы исследователи: А.А. Скочинский, С.А. Христианович, В.В. Ходот, И.М. Печук, А.Э. Петросян и другие. В 20-30-е гг. прошлого столетия советские ученые во главу угла в качестве вызывающих внезапные выбросы угля и газа ставили одиночные факторы. По гипотезе «газовых очагов» Л.Н. Быкова, для предотвращения выбросов предлагалось вскрытие газовых очагов скважинами любого малого диаметра. Гипотеза «остаточных тектонических напряжений» проф. И.М. Печука исходила из возможности борьбы с выбросами путем рационального управления кровлей пласта. В 40-е годы появились предположения о зависимости выбросоопасности от комплекса факторов. Проф. Я.Э. Некрасовский считал, что выброс происходит под влиянием горного давления, газа и внешнего импульса. В 50-е годы акад. А.А. Скочинский сформулировал свою знаменитую рабочую гипотезу под названием «энергетическая теория», которая в дальнейшем была развита проф. В.В. Ходот. Она рассматривала выброс угля и газа как лавинообразный процесс разрушения, отторжения и транспортировки угля вследствие реализации энергии горного давления и газа, накопленной угольным массивом, обладающим определенными физико-механическими и физико-химическими свойствами. Основные положения этой теории позднее подтвердились [2, 3, 4].
Согласно «энергетической теории» Скочинского-Ходота, наиболее важными факторами при прогнозе выбросоопасности являются горное давление, содержащийся в угле газ и свойства угля. В то же время эти свойства в различной степени зависят от тектонической нарушенности угольных пластов, напряженно-деформированного состояния окружающего массива горных пород, глубины подземных горных работ.
Заметный вклад в понимание механизма внезапного выброса внесли акад. С.А. Христианович, сотрудники ИГД им. А.А. Скочинского (г. Москва), МакНИИ (г. Макеевка, Украина), КНИУИ (г. Караганда), ВостНИИ, КазНИИБГП, КазНИМИ (г. Караганда, Казахстан) и др.
Выявлению отличительных свойств пластов, опасных по выбросам, посвящены исследования, выполненные А.А. Скочинским, В.В. Ходотом, Е.С. Иейте, В.А. Шатиловым, И.Л. Эттингером и др. По предположению Е.С. Иейте, пласты, склонные к выбросам, характеризуются повышенной тектонической трещиноватостью и тектонической нарушенностью углей. В части изучения влияния тектонической нарушенности на возникновение внезапных выбросов серьезные исследования были проведены теми же А.А. Скочинским, В.В. Ходотом, а также В.А. Шатиловым, В.В. Эзом, И.И. Аммосовым, Л.Н. Быковым и др.
Вопросами систематизации и классификации внезапных выбросов занимались А.А. Скочинский, Г.Д. Лидин, А.Э. Петросян, В.В. Ходот. В 30-х годах прошлого столетия А.А. Скочинский разработал классификацию, согласно которой внезапные выбросы были разделены на следующие основные виды [5, 6]: внезапные выбросы газа и угольной мелочи; внезапные обрушения (высыпания) угля c попутным газовыделением; раздавливание и отжим угля в забоях, сопровождающиеся газовыделением; внезапные выделения газа, сопровождающиеся разрывом или сдвижением пород кровли или почвы; суфлярные выделения газа.
Г.Д. Лидин [7] привел классификацию необычных выделений газа при подземной разработке газоносных угольных пластов: при обрушениях угля, высыпаниях угля, отжиме угля, горных ударах, внезапных выбросах угля и газа. Он высказал мнение, что наибольшие затруднения для ведения горных работ приносят внезапные выбросы угля и газа, обусловленные энергией сжатого газа, заключенного в разрабатываемом угольном пласте.
А.Э. Петросян, исследуя вопрос об отличительных признаках высыпаний угля при подземной разработке газоносных угольных месторождений, пришел к выводу, что внезапные выбросы и высыпания необходимо различать на основе анализа сил, под действием которых они возникают. B результате он составил свою классификацию газодинамических явлений [8, 9].
В.В. Ходот [3, 4], рассматривая вопрос о классификации газодинамических явлений, пришел к выводу, что по внешним проявлениям опасности для людей и сохранности горных выработок различные газoдинамические явления могут быть схожими, однако механизм их различен и для правильного подбора профилактических и защитных мероприятий их следует различать. Им предложена следующая классификация: собственно внезапные выбросы угля и газа; внезапные высыпания угля с попутным газовыделением; внезапные отжимы, удары кровли, стреляние угля или локальные удары с попутным газовыделением; внезапные прорывы газа; выбросы, инициированные взрыванием; переходные формы выбросов. В.В. Ходотом подробно рассмотрены также условия возникновения всех перечисленных явлений, даны рекомендации по методам их прогноза и предотвращения. B [10] также приведена классификация газодинамических явлений. Эти классификации отличаются тем, что одни из них учитывают дополнительно «внезапные выбросы угля и газа», а другие — «внезапные выбросы газа и угольной мелочи».
Если сгруппировать происходящие в шахтах газодинамические явления (ГДЯ) по видам вызывающих их сил, то получится следующая классификация [10] (см. таблицу).
Для борьбы с внезапными выбросами в первую очередь используются прогнозирование выбросоопасности угольных пластов, а также различные способы предупреждения, основанные в основном на дегазации и разгрузке массива от напряженного состояния. Наиболее распространенными способами предупреждения являются: опережающая разработка защитных пластов, предварительная дегазация пластов, увлажнение угольного пласта, гидроразрыв угольных пластов, торпедирование, камуфлетное и сотрясательное взрывание и др.
Одной из актуальных задач в области борьбы c газодинамическими явлениями на шахтах на современном этапе, помимо вышеназванных, являются разработка геотехнологических методов борьбы, совершенствование технологических схем ведения очистных работ и проведение капитальных и подготовительных выработок, обеспечивающих высокопроизводительную и безопасную разработку газоносных угольных месторождений.
