Кандидат технических наук Мещеряков Д.А.

В научно-технической литературе указывается на существование такой зависимости, но рекомендации сводятся в основном к необходимости наблюдать за показаниями приборов, регистрирующих атмосферное давление.

Одной из наиболее ранних работ по данной проблеме, следует считать работу Н. Н. Черницына . Исследуя зависимость газовыделения от изменений барометрического давления, автор разграничивает влияние колебаний давления на газовыделения из выработанных пространств и трещин в пласте угля и боковых пород, где метан находится в свободном состоянии, а также  из целика угля, где метан находится в связанном состоянии. По наблюдениям Н. Н. Черницына на газовыделение из угольного пласта влияют не только колебания барометрического давления, но и абсолютная величина последнего.

Несогласие с утверждением о наличие зависимости изменения газовыделения из целика угля под влиянием барометрического давления, а также от его абсолютной величины, было выдвинуто сторонниками теории механической связи метана с углём. По их наблюдениям газовое давление в целике угля измеряется величиной от нескольких атмосфер до нескольких десятков и поэтому изменение атмосферного давления на 25 - 50 мб не может сказаться на процесс естественного газовыделения, ускоряя или замедляя его.

Большинство же авторов, которые исследовали эту проблему, подтверждают, что такая зависимость существует. И она очень чётко проявляется, когда проводится наблюдение газовыделения из выработанных пространств и не имеет существенного значения при газовыделении из целика угля.

М. М. Протодьяконов указывает на то, что изменение барометрического давления влияет на газовыделение из выработанных пространств.

А. А. Скочинский и В. Б. Комаров подтверждают существование такой зависимости и описывают случай, когда при резком падении барометрического давления на одну сотую атмосферы газовый дебит шахты  изменился на несколько десятков процентов. При этом они  пришли к заключению, что её проявление относительно газа, выделяющегося из толщи угля, не носит существенного характера. Вместе с тем указывается на влияние колебаний барометрического давления на газовыделение из отбитого угля.

В работе Г. Д. Лидина, А. Т. Айруни, Ф.С. Клебанова и др. также указывается на существование зависимости газовыделения из выработанных пространств под влиянием барометрического давления; изменение газовыделения из целика угля при этом в работе не рассматривалось. Здесь сообщается о том, что на одной из английских шахт во время падения барометрического давления дебит метана из выработанного пространства увеличился более чем в 6 раз. В этой же работе указано, что имеется взаимосвязь между взрывами и падением барометрического давления. Так, статистика взрывов метана в угольных шахтах США показывает, что 50% взрывов за последние 50 лет произошло в период падения барометрического давления.

М. Б. Сулла провёл большой объём аналогичных исследований на шахтах Подмосковного бассейна. Газовыделение из целика угля под влиянием барометрического давления автор считает малозначимым фактором, однако он отмечает, что десорбция газа из угля при изменении давления на 33 ГПа находится в пределах 0,3 см³/г угля. Коэффициент неравномерности газовыделения, представляющий отношение максимального количества углекислоты к его среднему значению в период наблюдений, составил для разных шахт от 1,2 до 2,1 (в среднем - 1,4). В период наблюдений отмечено, что определяющим фактором влияния на газовыделение является скорость падения барометрического давления. Газовыделение же из выработок, изолированных от действующих, зависит в большей степени от абсолютной величины перепада, а не от скорости его падения.

В. И. Фомичёв утверждает, что в пределах выемочного участка при падении барометрического давления со скоростью 1,5 - 1,75 ГПа/ч газовыделение увеличивается на 20 - 25%, при этом величина абсолютного давления не влияет на газовыделение, в то время как колебание давления приводит к дополнительному газовыделению за счёт выработанных пространств.

Д. Я. Правденко сообщает, что по данным МакНИИ в течение суток на одной из шахт Донбасса наблюдалось увеличение газовыделения на 9% при падении барометрического давления на 11,3 ГПа, в то время как при увеличении давления на 12 ГПа в течение 18 часов произошло уменьшение газовыделения на 13,6%. На другой шахте по данным МакНИИ падение барометрического давления на 13,3 ГПа вызвало увеличение газовыделения на 35%. В этой работе приводятся данные о том, что падение барометрического давления на 40 ГПа явилось причиной роста выделения метана по ряду шахт на 50%, в основном, за счёт выработанных пространств.

   При изучении взаимосвязи изменения барометрического давления и газовыделения на шахтах Печорского бассейна  были собраны данные метеорологических наблюдений Воркутинской станции за период 1950 - 1962 гг. За рассматриваемый период среднее барометрическое давление составило 990,05 ГПа. Среднегодовое давление колебалось от 993,45 мб.(1952г.) до 987,30 ГПа в 1961г., что свидетельствует о стабильности величины годового давления.

Среднемесячное давление по годам наблюдений колебалось от 1014,4 ГПа (февраль 1956г.) до 974,7 ГПа (декабрь 1957г.). Следовательно, если колебания давления по годам составило 6,15 ГПа, то по месяцам отклонения достигли 39,7 ГПа, что более чем в 6 раз выше. В пределах каждого года среднемесячное давление колебалось самым различным образом. В большинстве своём давление в летние месяцы было ниже среднегодового, за исключением 1961 и 1962 гг.

Учитывая особую актуальность проблемы газовыделения для шахт  Печорского  бассейна, автором диссертационной работы были продолжены исследования зависимости газовыделения от колебания атмосферного давления. За период наблюдений принят 1981, 1982, 1984 и 1985 гг., обработано почти 12000 метеонаблюдений Воркутинской станции, выполненных с интервалом 4 часа.

При этом установлено, что наиболее низкое давление  бывает с июня по октябрь месяц; в это время среднемесячное давление составляло 986,9 - 989,5 ГПа.

Наиболее часто атмосферное давление колеблется в пределах 985,5 - 997,5 ГПа (45,3% от общего количества наблюдений), 972,2 - 984,2 ГПа (28,5%). Самое низкое давление в этот период времени было в пределах 944,3 - 950,9 ГПа (6 наблюдений) и самое высокое давление достигло уровня 1025,4 - 1030,8 ГПа (16 наблюдений), т. е. разница между максимальным и минимальным уровнем давления в период наблюдений составила 86,5 ГПа .

  Наиболее значительными в этот период времени были колебания атмосферного давления  осенью и зимой. Отмечены случаи, когда в течение 3 часов перепады давления достигали 13,3 ГПа.

Установлено, что снижение атмосферного давления  вызывает усиленное поступление метана из выработанных пространств в действующие горные выработки. Дополнительный объём метана (), выделяющийся из выработанного пространства при падении атмосферного давления, можно определить по приращению дебита газа в исходящей из участка струе воздуха

                             ,

где:      -   расход воздуха в исходящей струе участка, м³/мин;

           - концентрация метана в исходящей из участка                               струе воздуха до падения атмосферного давления, %;

               -  концентрация метана в исходящей струе воздуха после падения атмосферного давления, %.                                                                                                                           

С целью количественной оценки взаимосвязи изменений дебита метана с изменением барометрического давления на шахте «Аяч – Яга» в период с марта по май месяц 1987 г. в исходящей вентиляционной струе северного крыла пласта i₄ выполнены необходимые замеры. Наибольшие колебания атмосферного давления наблюдались с 15 по 19 марта.

  Самое низкое давление 974,9 ГПа отмечено 17 марта в 21 час. В период наблюдений расход воздуха в исходящей струе участка изменялся незначительно, и составил в среднем 3600 м³/мин концентрация метана достигла 1,1%.

 Учитывая то обстоятельство, что концентрация метана до начала наблюдений была равна 0,75% и в результате падения давления возросла до 1,1%, дополнительный объём метана, поступивший в исходящую струю составил

                        = 3600´ (0,011 - 0,0075) = 12,6 м³/мин.

Приращение концентрации метана в атмосфере  выработанного пространства ( ) в этом случае оценивается по формуле:

                                =    ,

где: -  расход воздуха (утечки) в выработанном пространстве.

Из результатов измерений расхода воздуха   следует, что концентрация метана в ближней зоне выработанного пространства равна примерно 5%. Это увеличение является следствием "выталкивания"   дополнительного объёма газа из более глубинных  зон выработанного пространства [58].

На основе выполненных исследований рекомендуются коэффициенты неравномерности газовыделения при колебании атмосферного давления ( Кн - отношение максимального значения газовыделения к минимальному) принимать равным: по выемочному участку - 1,25 - 1,57; крылу - 1,2 - 1,75 и по шахте - 1,1 - 1,45.

И хотя в отчёте ПечорНИУИ сделан вывод, что «...изменение газовыделения в зависимости от колебаний барометрического давления в условиях Воркутинского угольного месторождения существенного влияния на газовый режим шахт не оказывает», для Воркуты этот вопрос имеет большое значение. К. С. Повесьма и И. П. Овсянников также обращают внимание на большую актуальность исследования по данной проблеме, указывая на недостаточность проведенных наблюдений.

При наличии в Печорском бассейне высокогазообильных шахт, имеющих дебит метана 80 - 200 и более м³/мин, частых колебаниях атмосферного давления, следует считать целесообразным осуществлять разработку проектов проветривания выемочных участков и шахты не только в соответствии с действующим «Руководством по проектированию вентиляции», но и с учётом максимально возможных объёмов газовыделения из выработанных пространств при резком падении барометрического давления.