Значение структурного угля при региональных выбросах угля и газа в южном Сычуаньском угленосном бассейне

Скрытые опасности под угольными месторождениями

Глубоко под холмами южного Сычуаня, Китай, горняки работают в пластах угля, насыщенных газом под высоким давлением. Когда этот газ внезапно вырывается вместе с углем, он может в мгновение ока выбросить в выработки сотни или даже тысячи тонн породы. В этом исследовании поставлен практический, жизненно важный вопрос: можно ли по самой структуре угля предсказать, где с наибольшей вероятностью произойдут такие бурные выбросы угля и газа, ещё до разработки месторождений?

Сложный ландшафт складок и разломов

Южный Сычуаньский угленосный бассейн геологически сложен: его формируют широкие складки и сеть разломов. Авторы показывают, что эта архитектура существенно определяет места накопления газа. Пологие крылья крупных складок и зоны вокруг скрытых, тесных разломов склонны задерживать газ, тогда как прилегающие водоносные породы иногда отводят его. По мере погружения пластов на большую глубину растёт давление горных пород, что сжимает пласты, закрывает естественные пути для ухода газа и удлиняет путь к поверхности — всё это повышает газонасыщенность и вероятность опасных выбросов. В регионе более четырёх из пяти шахт относятся к категории с высоким содержанием газа или склонных к выбросам, и в некоторых отдельных событиях в трубы было выброшено до 3100 тонн угля и породы.

Когда цельный уголь становится структурным

Исследование сосредоточено на «структурном угле» — угле, раздробленном, сдвинутом или размягчённом тектоническими силами. По сравнению с цельными массами такой повреждённый уголь слабее, более разрушен и богаче порам и трещинам. Это облегчает поступление и накопление газа, но также делает уголь более склонным к внезапному разрушению при возмущении. Анализируя образцы из скважин в трёх добычных районах, исследователи количественно связали долю структурного угля в пласте с двумя стандартными предупредительными показателями: коэффициентом крепости f (прочность угля) и композитным индексом выброса K. При увеличении доли структурного угля f снижается, а K растёт, что указывает на более мягкий, неустойчивый уголь, готовый к бурному высвобождению газа.

Толщина как триггер для бурных выбросов

Помимо общей доли повреждённого угля, критической оказалась толщина отдельных слоёв структурного угля. На основании данных из нескольких шахт команда установила, что интенсивность выброса экспоненциально увеличивается с ростом наибольшего отдельного слоя структурного угля. Когда этот слой тоньше примерно 1,1 метра, выбросы, как правило, небольшие или средние и затрагивают менее 500 тонн пород. При толщине от 1,1 до 1,25 метра крупные выбросы становятся частыми. Как только структурный уголь превышает примерно 1,25 метра, вероятны исключительно тяжёлые события — часто более 1000 тонн. Иными словами, чем толще слабая, разрушенная полоса угля, тем больше энергии может накопиться и внезапно высвободиться.

Преобразование данных каротажа в карту опасности

Чтобы перейти от разрозненных скважин к региональному прогнозу, авторы обратились к современным инструментам подземного каротажа. Используя цифровую систему каротажа JGS‑6, они измеряли, как электрические сигналы и излучение реагируют на изменения свойств пород. Структурный уголь, с повышенным содержанием воды и характерной плотностью, даёт в каротажных записях типичный рисунок: пониженная кажущаяся электросопротивляемость, аномалии низкой гамма‑активности и тонкие смещения кривых плотности. Стандартизировав интерпретацию этих признаков, команда оценила толщину структурного угля по всему бассейну, а затем подставила эти значения в свои математические связи с f, K и интенсивностью выброса. Предсказанные значения хорошо соответствовали полевым измерениям: средние различия по ключевым показателям были менее одного процента, а оценки размеров выбросов находились в том же порядке величин.

От научной модели к более безопасным шахтам

Комбинируя геологическое картирование, данные скважин и интерпретацию каротажа, авторы создали зональную карту опасности для южного Сычуаньского угленосного бассейна. Такие районы, как Дашюэшань и Байцзяо, выделяются как крайне опасные с потенциальными событиями, приближающимися к 9000 тонн, в то время как Гуаньвэнь и Шипин отмечены для крупных выбросов, а в других районах, в основном, ожидаются более мелкие события. Для неспециалистов вывод прост: тщательное измерение того, насколько разрушены и каковы по толщине определённые слои угля до начала горных работ, позволяет инженерам предвидеть, где земля с наибольшей вероятностью «взорвётся», и расставить приоритеты для водоотвода газа, опор и мониторинга. Работа не снимает всех неопределённостей — важны и другие факторы, такие как изменяющиеся напряжения и ограниченность данных — но она предлагает конкретный, основанный на данных путь сделать глубокую добычу угля в этом опасном регионе существенно безопаснее.

Цитирование: Sun, W., Zhao, Q., Cui, D. et al. The significance of structural coal in regional coal and gas outbursts in southern Sichuan Coalfield. Sci Rep 16, 6779 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39480-w

Ключевые слова: безопасность шахт, выброс газа, структурный уголь, геофизическое каротажирование, Сычуаньский угленосный бассейн