CC BY
18
Оригинальная статья
УДК 622.411.332:661.92:622.812.001.1 © И.Е. Колесниченко, В.Б. Артемьев, Е.А. Колесниченко, Е.И. Любомищенко, 2020
Квантово-электронные закономерности формирования метаморфических процессов и механизма внезапных выбросов метана
в угольных пластах
Р01: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-7-42-48 -
щ
и
КОЛЕСНИЧЕНКО И.Е.
Доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Проектирование и строительство автомобильных дорог», заместитель директора Шахтинского автодорожного института (филиала) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, 346500, г. Шахты, Россия, e-mail: kolesnichenko-igor@rambler.ru
АРТЕМЬЕВ В.Б.
Доктор техн. наук 115054, г. Москва, Россия
КОЛЕСНИЧЕНКО Е.А.
Доктор техн. наук, профессор, профессор кафедры «Проектирование и строительство автомобильных дорог» Шахтинского автодорожного института (филиала) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, 346500, г. Шахты, Россия, e-mail: kolesnichenko-2718@rambler.ru
ЛЮБОМИЩЕНКО Е.И.
Канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры «Проектирование и строительство автомобильных дорог» Шахтинского автодорожного института (филиала) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, 346500, г. Шахты, Россия, e-mail: katya87lk@mail.ru
Статья посвящена проблеме предотвращения внезапных выбросов метана и угля. Показано, что эффективных методов прогноза внезапных выбросов метана нет Приведены цель и методы исследования. Проблему необходимо решать на основе изучения генетической связи торфообра-зования и метаморфизма угольных пластов. Отмечено, что на первых этапах исследования были обоснованы петрографический и химический составы органической массы торфяника. Показано, что внезапные выбросы изучали специалисты в области технологии разработки, геомеханики, химии, математики, которые не учитывали вещественную структуру органического вещества угольного пласта. Авторами изложена методология и физические основы квантовой теории внезапных выбросов метана и угля. Дано описание закономерностей образования внутренней энергии атомов вещества, энергии кванта и фотона. Описаны закономерности поглощения и излучения электронами атомов электромагнитных волн тепловой энергии. Впервые показана связь величины энергии поглощаемого фотона и расстояния между центрами атомов. Приведена химическая структура органических остатков в торфянике. Показано, что физико-химические процессы в торфянике происходили при получении внешней энергии от Солнца. После перекрытия торфяника физико-химические процессы инициировались внутренней энергией атомов формирующегося угольного пласта. Авторы впервые предложили квантово-электронную гипотезу внезапного выброса мета и угля. Первичным процессом подготовки к выбросу является сжатие пласта при увеличении внешнего силового давления. Вторичным процессом являются лавинообразное увеличение количества электромагнитных излучений и разрушение макромолекул. Условием возникновения лавинообразного увеличения количества электромагнитных излучений является превышение количества атомов в возбужденном состоянии над числом невозбужденных. Эти процессы приводят к повышению объема и давления метана в пласте. Приведено описание микровыбросов при вымывании передовых полостей по вы-бросоопасному пласту.
Ключевые слова: механизм внезапного выброса, молекулярная структура, механика внезапных выбросов, атомы, электромагнитные волны, фотон, метан, энерге-
тические уровни, передача тепловой энергии, электронные орбитали, физико-химические процессы, процессы метаморфизма.
Для цитирования: Квантово-электронные закономерности формирования метаморфических процессов и механизма внезапных выбросов метана в угольных пластах / И.Е. Колесниченко, В.Б. Артемьев, Е.А. Колесниченко, Е.И. Любомищенко // Уголь. 2020. № 7. С. 42-48. 001: 10.18796/0041-5790-2020-7-42-48.
АКТУАЛЬНОСТЬ
Более 180 лет внезапные выбросы метана и угля происходят из разрабатываемых угольных пластов во всех угледобывающих странах. Неконтролируемые силовые выбросы являются причинами серьезных аварий часто с человеческими жертвами. При наиболее мощных выбросах из пласта выносилось до 1500 т угля и выделялось до 270 тыс. м3 метана [1].
Продолжающиеся внезапные выбросы и прогнозируемое увеличение добычи угля определяют актуальность исследования угольных пластов с целью обоснования новых способов предотвращения внезапных выбросов метана и угля. Авторы многих исследований отмечают, что имеющихся знаний недостаточно для разработки способов предотвращения внезапных выбросов при разработке метаноносных угольных пластов. По утверждению российского ученого, чл.-кор. РАН Г.И. Грицко, в настоящее время пока нет эффективных методов прогноза и борьбы с внезапными выбросами метана в угольных шахтах. Нет и программ создания новых научных основ для познания и предотвращения этих явлений. А безопасность добычи угля нужна здесь и сейчас [2]. Авторы согласны с такими выводами исследователей и считают, что новый импульс исследованиям должны дать учет генети ческих особен но-стей и новые физические принципы энергетических процессов в геологическом периоде формирования и разработки угольных пластов.
Целью наших исследований является обоснование: генетической связи молекулярной структуры торфяника и угольного пласта; влияния внешнего источника электромагнитных излучений на разложение молекулярной структуры торфяника; закономерностей процессов угле-фикации и метаморфизма угля, которые протекают в геологический период под воздействием внутренней тепловой энергии атомов в молекулярной структуре угольного пласта; энергии инициирования механизма процессов образования метана, изменения термодинамических параметров в области локального увеличения горного давления и условий реализации внезапного выброса метана и угля из пласта в выработку.
Методика исследования включает анализ и обобщение опытных данных и теоретических представлений об образовании, физико-химических свойствах угольных пластов, образовании и формах нахождения метана, ме-таноносности и выбросоопасности угольных пластов. Для комплексного доказательства физико-химических процессов приняты фундаментальные аксиомы квантовой теории, которые имеют научное и практическое подтверждение.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
Угольные пласты относятся к трудноизучаемым природным объектам, изолированы от поверхности и залегают в виде слоя между другими горными породами. Для детального изучения доступны только пробы из геологических скважин, обнаженные плоскости забоев горных выработок и скважины, пробуренные по пласту. Такие горно-геологические условия затруднили проведение исследований и определили различные направления исследования внезапных выбросов метана и угля. На основании экспериментальных данных Ю.А. Жемчуж-ников экспериментально и научно обосновал петрографический и химический состав органической массы торфяника [3]. Рассматривая метаморфизм углей, Ю.А. Жем-чужников указывал, что существуют различные теории изменения степени углефикации, но, несомненно, определяющими факторами являются время, температура и давление. Он предположил, что изменение углей происходит в результате постепенного опускания пласта в сферу высоких температур. Это предположение определило гипотезы о влиянии на процессы метаморфизма внешних источников тепловой энергии. Однако у авторов статьи есть своя гипотеза источников метаморфизма угля в пластах.
Закономерности изменения витринитовых и фюзини-товых микрокомпонентов по мощности и протяженности пластов в процессе их формирования представлены в монографии Г.А. Иванова «Угольные формации» [4]. Процессы разложения и превращения торфяной массы зависели от скорости опускания торфяника. При быстром захоронении торфяников образовывались локальные участки с сильновосстановленными свойствами. Это участки повышенной метаноносности. При медленном погружении торфяников разложение органической массы достигает более глубоких стадий, и формируются слабовосста-новленные (или окисленные) угли. Здесь уничтожались боковые группы макромолекул, источники образования метана в пласте.
Связь пористости с петрографическим составом обосновал И.И. Аммосов (1963 г.), который установил два типа пор: замкнутые и открытые. В фюзене и ксилофюзене преобладают замкнутые поры объемом до 20%. В витрене пористость достигает 15%, в среднем 9-10%. Газопроницаемость зависит от петрографического состава угольного пласта.
Современные знания о выбросах характеризуются понятием «внезапный», то есть «неконтролируемый». По определению внезапный выброс представляет собой опасное и сложное газодинамическое явление, возникающее в газоносных угольных пластах и породах. Само понятие показывает уровень изученности этой проблемы и отсутствие методов их прогнозирования. После внезапного выброса нижезалегающий участок угольного пласта объявляется выбросоопасным.
Анализ публикаций показал, что внезапные выбросы метана изучали специалисты в области технологии разработки, геомеханики, химии, математики и др. Применяемые ими методы пока не позволили изучить природные процессы в угольных пластах. На современном уровне продолжается изучение угольных пластов. Китайские ученые
T. Xia, X. Wang и другие [5, 6] продолжают рассматривать газопроницаемость, сорбцию и десорбцию метана и самонагревание угля с позиций геомеханики.
В современный период времени изучение пластов угля происходит при сложившихся этапах метаморфизма. Изучаемые этапы превращения торфа в бурый уголь, затем в каменный и антрацит дают дискретные характеристики метаморфизма. А в пластах все изменения происходили непрерывно в течение всего геологического периода. Характеристика разнообразных марок угля Б, Д, ДГ, ГЖО, Ж, К, КС, ТС, Т и других с различной массовой концентрацией атомов углерода, водорода, кислорода и процентной концентрацией выхода летучих веществ это подтверждает. В.Г. Смирнов, В.В. Дырдин и другие [7] и сейчас считают, что « ...безопасность ведения горных пород определяется глубиной знаний о механизме природных явлений. Применяемые методы не дают пока установить такой механизм».
Авторы настоящей статьи считают, что применение методов термодинамики, геомеханики и виртуальное представление об органическом веществе угольного пласта ограничили глубину изучения метаморфических процессов. Эти методы не позволяют установить источники энергии для физико-химических процессов, в том числе и механизм внезапных выбросов.
ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ
Авторы предлагают методологию и физические основы квантовой теории угольных пластов и, в частности, внезапных выбросов метана и угля. Квантовая теория является научной областью квантовой механики (квантовой физики), которая описывает законы движения микрочастиц (атомов, молекул) и позволяет связать характеристики этих частиц с физическими величинами, непосредственно измеряемыми в макроскопических опытах. Квантовая теория базируется на фундаментальных электронно-волновых законах образования и переноса внутренней тепловой энергии в молекулярных структурах природных объектов.
Из физики известно, что атом состоит из ядра и электронов, обращающихся на круговых орбиталях. Электроны могут вращаться вокруг атомного ядра только по разрешенным орбиталям, на определенных энергетических уровнях п и подуровнях s,р, й,/, .... (рис. 1, а). У разных химических элементов система энергетических уровней своя.
Все атомы обладают внутренней энергией. Электрон связан с ядром электромагнитной энергией, величина которой зависит от расстояния орбитали электрона до ядра. Орбиталь п = 1 соответствует основному энергетическому уровню с максимальной энергией (см. рис. 1, в). Энергия связи с ядром на основном уровне п = 1 равна минус 13,6 эВ. Электрон на этом уровне находится на наименьшем расстоянии от ядра с наименьшими значениями кинетической энергии и скорости вращения на орбитали. Чтобы перевести электрон на более удаленную от ядра орбиталь, нужно преодолеть притяжение электрона к положительно заряженному ядру, что требует затрат энергии. При переходе электрона на орбитали 2, 3, 4 и далее энергия его связи с ядром уменьшается (см. рис. 1, б).
Атомы любого вещества постоянно поглощают и испускают тепловую энергию в виде электромагнитных излучений, называемых фотонами. Процесс происходит мгновенно, так как скорость распространения фотонов (электромагнитных волн) равна скорости света. Фотоны состоят из квантов. Энергия одного кванта равна постоянной Планка к = 6,626x10 -34 Дж-с или к = 4,1361x10 -15 эВ-с, испускаемого с частотой в 1 Гц (герц). Энергия фотона Е пропорциональна частоте электромагнитного излучения Е = h • V, где V - частота электромагнитного излучения, 1/с или Гц.
При поглощении фотона электрон возбуждается и перескакивает на один из уровней или подуровней возбужденного состояния с более высокой энергией, который расположен дальше от ядра. Электрон поглощает прилетевший фотон только с энергией, величина которой находится в пределах энергии связи электрона с ядром атома. Продолжительность пребывания электрона на уровне возбужденного состояния - порядка 10-8 с. После этого электрон перескакивает на энергетический уровень ближе к ядру и испускает фотон с энергией, величина которой равна разности АЕ = Ет- Еп = h • V (эВ), где Еп - энергия нижнего уровня, на который перескакивает электрон; Ет - энергия на верхнем уровне возбужденного состояния.
Большое количество подуровней позволяет атому поглощать и испускать значительный спектр частот электромагнитных волн тепловой энергии. Электрон может возвращаться на основную орбиту не только единым переходом, но и ступеньками через промежуточные уровни. Электроны в атомах в стационарных энергетических состояниях не излучают и не поглощают энергию. Тепловые фотоны в зависимости от частоты излучаются в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах. В многоэлектронных атомах испускание фотона связано с переходами валентных электронов.
n = 4
-4/ ■4d ■4р ■ 3d -4s
:3Р -2p
■2s
........1s
уровни подуровни энергетические
E, эВ' n = 4
n = 2
- 0,85
- 1,51
- 3,42
- 13,6
основной энергетическии уровень
Рис. 1. Схемы расположения разрешенных орбиталей электронов атома водорода: а - энергетические уровни и подуровни; б - величина энергии на соответствующем энергетическом уровне
Fig. 1. Arrangements of the allowed electron orbitals of electrons of a hydrogen atom: a - energy levels and sublevels; b - energy value at the corresponding energy level
б
а
3
n
3
n
2
n
1
n
1
n
Стандартные значения энергетических параметров связи между атомами различных пар атомов представлены в табл. 1, 2. Энергия связи зависит от расстояния между атомами и энергетического уровня нахождения электрона. Например, атомы углерода С в цепи могут соединяться с электронами, расположенными на энергетических подуровнях яр, яр2 и яр3. Расстояние между ядрами атомов соответственно будут 120 пм (0,120 нм), 133 пм и 154 пм. Энергия связи между атомами соответственно будет 8,42 эВ, 6,38 эВ и 3,61 эВ (см. табл. 1,2).
Авторами впервые показано влияние величины энергии поглощаемого фотона на изменение расстояния между центрами атомов. При интенсивном поглощении энергии увеличиваются радиус орбиталей возбужденного электрона и расстояние между атомами. У водорода единственный электрон может находиться не только на энергетическом уровне но и перепрыгивать на уровни и подуровни 2, 3, 4 и т.д. (см.рис. 1). При этом расстояние, например между атомами водорода и углерода или кислорода, будет увеличиваться (рис. 2, а) от го до г3. Поглощение фотона с энергией меньше энергии связи Е < (-ЕтП) приводит только к повышению температуры. При поглощении фотона с энергией Е = (-Ет1п) силы притяжения и отталкивания сравниваются, и атомы разделяются.
Электромагнитная связь между атомами может быть разрушена и в результате приложения внешней силовой энергии, сильном сжатии и увеличении плотности вещества. В этом случае расстояние между атомами уменьшается до г4 (см. рис. 2, а). Электроны перескакивают ближе к ядру, испускают тепловые фотоны и разделяются.
НАЧАЛЬНАЯ ХИМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ТОРФЯНИКА
Угольный пласт начинался с накопления органических остатков в виде торфяника. Низшие растения содержали большое кол и чество жи ров, воска, протеиновых веществ, олефиновых кислот. Авторами составлена среднестатистическая модель макромолекулы [1]. Количество макромолекул в 1 см3 составляет 1,587-1019, количество атомов углерода - 45,7%, атомов водорода - 44,3%, атомов кислорода - 9,06%. Массовая концентрация атомов углерода, водорода и кислорода - соответственно 67,0%, 5,8% и 19,06%. Масса макромолекулы - 3875-1045 -23 г. Суммарная масса атомов в объеме 1 см3 равна 0,82 г. Объемная плотность органики равна 0,615 г/см3. Эти расчетные начальные параметры могут служить для анализа их изменения при углефикации и метаморфизме.
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ВТОРФЯНИКЕ
Физико-химические процессы в торфянике инициировались при получении внешней энергии. Атомы торфяника поглощали электромагнитные излучения, испускаемые Солнцем. До торфяника доходили в основном фотоны энергии в диапазоне от 400 до 750 нм видимого и в диапазоне свыше 750 нм инфракрасного излучений. Разрушение электромагнитных межатомных связей происходило по закономерностям квантовой теории и схемам, представленным на рис. 1 и рис. 2. В зависимости от уровня грунтовых вод изменялись интенсивность и объемы отделяющихся атомов от макромолекул. При сниже-
Таблица 1 Параметры энергетических связей между атомами в молекулах
Связь атомов Энергия связи (-Е . ), эВ min на 1 связь Связь атомов Энергия связи (-Е . ), эВ min на 1 связь
О-Н 4,80 С-Н 4,29
О-О 5,13 Н-Н 4,53
С-С 3,61 С-О 3,74
С=С 6,38 С=О 7,37
С=С 8,42 С=О 11,36
Таблица 2
Расстояние между атомами в молекулах
Связь Длина (пм) Связь Длина (пм) Связь Длина (пм)
С-С 154 С-О 143 С-Н 107
С=С 133 С=О 123 О-Н 98
С=С 120 С=0 113 Н-Н 74
Пересчет размерностей: 1 нм = 10 -1 пм = 10 -12 м; 1 А = 100 пм.
м; 1 мкм = 10 -6 м;
нии уровня воды на возвышенных местах торфяника образовалась фюзенизированная (обгоревшая под излучениями солнца) масса, состоящая в основном из углерода. При увеличении уровня воды распад молекул замедлялся из-за недостатка солнечной энергии. В таких местах образовывались в дальнейшем восстановленные угли с большим количеством летучих. По данным технической литературы, массовая концентрация в торфе атомов углерода С = 55-70%, водорода Н = 4,7-7,3%, кислорода О = 25-45%.
ВНУТРЕННИЕ ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
УГЛЕФИКАЦИИ И МЕТАМОРФИЗМА
В УГОЛЬНОМ ПЛАСТЕ
После перекрытия торфяника слоями породы прекратилось внешнее воздействие солнечной энергии. Физико-химические процессы инициировались электромагнитными излучениями атомов формирующегося угольного пласта. Химические реакции происходили непрерывно, но с различной интенсивностью в зависимости от величины и плотности потока поглощаемой и излучаемой энергии. Так как в органическом веществе пласта количество атомов после физико-химических реакций не изменяется, то в пласте образуются два агрегатных состояния вещества: твердое и газообразное. Отделившиеся атомы, объединяясь, образуют газообразную среду, которая составляет метаноносность угля. Твердая часть содержит жесткую часть из атомов углерода и оставшиеся боковые группы атомов, которые на следующих этапах могут превратиться в молекулы газов.
При неравномерном погружении торфяника физико-химические процессы происходили пропорционально глубине погружения (рис. 2, б). Во время геологического периода погружения в пласте образовывались внутренние напряжения и деформации. Рассмотрим это на примере. Расчетное нормальное напряжение на глубине Н определяется по формуле ст = уН. На глубине 100 м нор-
Рис. 2. Зависимость энергетической связиE(r) от расстояния r.
между ядрами атомов в молекуле (а) и энергетических параметров в угольном
пласте от глубины погружения (б):Emin - минимальная энергия электрона на
основном энергетическом уровне при расстоянии между атомами r0;
Е1, Е2, Е3 - энергия на энергетических уровнях при расстоянии между атомами
соответственно r1, r2, r3; Т0, Т1, Т2 - температура угольного массива;
v0, v1, v2 - частота волны электромагнитных излучений энергии;
Х0, Х2, Х3 - длина волны излучения соответственно при глубинеН0,Н1, Н2
залегания пласта
Fig. 2. The dependence of the energy bond E (r) on the distance rj between the nuclei of atoms in the molecule (a) and the energy parameters in the coal seam on the depth of immersion (b): Emin - the minimum electron energy at the basic energy level at a distance between atoms rj E1, E2, E3 - energy at energy levels with a distance between atoms r1, r2, r3, respectively; Т0, Т1, Т2 - the temperature of the coal mass; v0, v1, v2 - wave frequency of electromagnetic radiation of energy; X0, X2, X3 - radiation wavelength, respectively, with a depth of Н0, Н1, Н2 occurrence of the reservoir
Ш—fci
очередность вымывания л
полостей: 2-6-4-1-3-5-7
Я
-микровыбросы, it - удары в массиве
Рис. 3. Схема гидровымывания опережающих полостей по выбросоопасному слою пласта «Мощный» для предотвращения внезапного выброса метана и угля: а - 1,3 - слои прочного невыбросоопасного угля; 2 - выбросоопасный слой угля; б - схема вымываемых полостей по выбросоопасному слою Fig. 3. Hydraulic washing out of leading cavities along the "Moshniy" layer of the hazardous layer to prevent the sudden release of methane and coal: a - 1,3 - layers of durable non-hazardous coal; 2 - emission layer of coal; b - scheme of leachable cavities in the outburst layer
мальное напряжение равно ст = 2,5-106 Дж/м3 при среднем значении удельной плотности у = 2,5 т/м3. Так как 1 Дж = 6,24М018 эВ, то суммарная энергия от давления составляет Е = 1,56^1019 эВ/см3.
Эта энергия получена в результате сжатия атомов и уменьшения расстояния между одними атомами до г4
и увеличения расстояния между другими атомами до г5 (рис. 2, а). Для отделения четырех атомов водорода и одного атома углерода необходимо затратить 21,0 эВ, но при образовании молекулы СН4 выделится 17,11 эВ. В результате на образование одной молекулы метана требуется всего 3,89 эВ. Из рис. 2, б следует, что энергетические показатели в угольном пласте на глубине залегания Н1 отличаются от показателей на глубине Н0. На глубине Н1 по сравнению с глубиной Н0 увеличились частота и энергия испускаемых и поглощаемых электромагнитных излучений, уменьшилась длина волны, но увеличилась температура в окружающем массиве. Расчет показал, что в результате давления образовалось 0,4-1019 молекул СН4 в 1 см3 или 0,4-1025 молекул в 1 м3 пласта (6,64 моля). На глубине 600 м образовалось 2,4-1025 молекул/ м3 (40 молей). Метаноносность пласта увеличится на 0,9 м3 /м3. Необходимо отметить, что увеличение молекул газа в пласте происходит не дискретно, так как энергия испускаемых фотонов повышается постепенно. Из рис. 2, б следует, что при погружении наклонного пласта параметры метаморфизма будут отличаться по залеганию пласта.
МЕХАНИЗМ ВНЕЗАПНОГО ВЫБРОСА МЕТАНА И УГЛЯ
Опыт показал, что внезапный выброс метана и угля может происходить после некоторых предупредительных признаков. По определению Инструкции РД 05-350-00 [8], внезапный выброс угля и газа - это газодинамическое явление с быстроразви-вающимся разрушением массива с отбросом горной массы и выделением газа в горную выработку.
Авторы впервые предлагают следующую гипотезу внезапного выброса мета и угля. Первичным процессом является сжатие пласта при увеличении внешнего силового давления. Вторичным процессом являются лавинообразное увеличение количества электромагнитных излучений и разрушение макромолекул.
Условием возникновения лавинообразного увеличения количества электромагнитных излучений является превышение количества атомов в возбужденном состоянии над числом невозбужденных.
б
а
0
1
2
г
а
Механизм процессов внезапного выброса заключается в следующем. Электрон, который находился в возбужденном состоянии поглощает новый фотон энергии, перескакивает на нижний уровень и испускает уже два идентичных фотона с энергией поглощенного. Два электромагнитных излучения провоцируют излучение четырех фотонов и так далее. Интенсифицируются отделение атомов и образование молекул метана. Фотоны излучаются с различной частотой, в том числе и в звуковом диапазоне. Звуковые проявления в массиве подтверждены Hui Li [9] лабораторным моделированием выброса угля и газа в сочетании с акустико-эмиссионным анализом. Повышается температура угля. Такое повышение подтвердили опытные данные [10]. Образуются тонкодисперсные фракции угольной пыли. Повышается давление метана в пласте.
Выброс происходит при давлении метана, превышающем прочность перемычки между скоплениями метана и обнаженной плоскостью пласта.
ФАКТИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ
О МИКРОВЫБРОСАХ МЕТАНА И УГЛЯ
Процессы подготовки и микровыброса метана и угольной пыли были изучены при гидровымывании передовых полостей по выбросоопасному слою пласта «Мощный». Вымываемые полости формировали опорное давление в зоне вымываемых полостей. Мощность выбро-соопасного слоя - 0,23 м (рис. 3, а).
Замерами было установлено, что природная метано-носность слоя на ранее обработанных участках пласта изменялась от 2,0 до 103,5 м3/т горной массы. Бригада из четырех проходчиков вымывала семь передовых полостей (рис. 3, б). Линией а-б-в-г-д-е-ж показана дегазированная зона предыдущей серии полостей. В полости № 2 на расстоянии 7 м произошли выбросы метана и громкие трески, шумы и акустические удары в массиве. Из полости № 6 метан интенсивно начал поступать на расстоянии 9,5 м, микровыбросы метана происходили через 2 м. Всего при вымывании 7 полостей произошло 12 микровыбросов, при которых приходилось убегать из забоя.
Во время вымывания из полости выделялись клубы метана с пылью, которые поднимались вверх, постепенно окрашиваясь в коричневый цвет. Затем происходил микровыброс метана с массой до нескольких килограммов тонкодисперсной угольной пыли. Если при возникновении звуковых ударов приостанавливали процесс вымывания, то звуковые реакции в массиве прекращались. При микровыбросах давление метана было таким, что угольную пыль из полости выбрасывало от забоя на 12 м и более. Однако, несмотря на высокое давление метана, из-за плохой газопроницаемости слоя объединение локальных очагов не происходило.
ВЫВОДЫ
Предложены методология и энергетические основы торфонакопления и метаморфизма угольных пластов. Физико-химические процессы в торфяниках, расположенных на земной поверхности, происходили при
получении внешней энергии от Солнца. После перекрытия торфяника наносами процессы углефикации и метаморфизма инициировались электромагнитными излучениями внутренней энергии атомов органической массы.
Предложена квантово-электронная концепция внезапного выброса метана и угля. Первичным процессом является сжатие пласта при увеличении внешнего силового давления. Вторичным процессом являются лавинообразное увеличение количества электромагнитных излучений и разрушение макромолекул. Реализация вторичного процесса зависит от соотношения атомов в возбужденном и невозбужденном состоянии.
Внезапный выброс реализуется при давлении метана, превышающем прочность перемычки между скоплениями метана и обнаженной плоскостью пласта.
Сп исок литературы
1. Колесниченко Е.А., Артемьев В.Б., Колесниченко И.Е. Внезапные выбросы метана: теоретические основы. М.: Издательство «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2013. 232 с. (Библиотека горного инженера. Т. 9. «Рудничная аэрология». Кн. 6).
2. Грицко Г. Внезапные выбросы метана в шахтах // Наука в Сибири. 2007. № 32.
3. Жемчужников Ю.А. Общая геология каустобиолитов. Л., М.: Главная редакция геологоразведочной и геодезической литературы, 1935. 548 с.
4. Иванов Г.А. Угленосные формации. Закономерности строения, образования, изменения и генетическая классификация. Л.: Наука, 1967. 407 с.
5. Evolution of coal self-heating processes in longwall gob areas / T. Xia, X. Wang, F. Zhou et al. // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2015. Vol. 86. P. 861-868. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.03.072.
6. Simulation of coal self-heating processes in underground methane-rich coal seams / T. Xia, F. Zhou, F. Gao et al. // International Journal of Coal Geology. 2015. Vol. 1-2. P. 141142. DOI: 10.1016/j.coa l.2015.02.007.
7. О влиянии форм связи с угольной матрицей на газодинамические явления, возникающие при подземной разработке угольных пластов / В.Г. Смирнов, В.В. Дыр-дин, З.Р. Исмагилов и др. // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2017. № 1. С. 34-41.
8. РД 05-350-00. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа. Вводится в действие с 01.10.2000 постановлением Госгортехнадзора России от 22.06.2000 № 36.
9. Simulation Experiment and Acoustic Emission Study on Coal and Gas Outburst / Hui Li, Zengchao Feng, Dong Zhao, Dong Duan // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2017. Vol. 50. Issue 8. P. 2193-2205.
10. О некоторых особенностях взаимодействия между геомеханическими и физико-химическими процессами в угольных пластах Кузбасса / В.Н. Опарин, Т.А. Киряе-ва, В.Ю. Гаврилов и др. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2014. № 3. С. 3-30.
SAFETY
Original Paper
UDC 622.411.332:661.92:622.812.001.1 © I.E. Kolesnichenko, V.B. Artemiev, E.A. Kolesnichenko, E.I. Lubomischenko, 2020 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2020, № 7, pp. 42-48 DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-7-42-48
Title
QUANTUM-ELECTRON LAwS OF THE FORMATION OF METAMORPHIC PROCESSES AND THE mechanism OF SUDDEN METHANE EMISSIONS IN COAL SEAMS
Authors
Kolesnichenko I.E.1, Artemiev V.B.2, Kolesnichenko E.A.1, Lubomischenko E.I.1
' Shakhty road institute (branch) Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Shakhty, 346500, Russian Federation 2 Moscow, 115054, Russian Federation
Authors' Information
Kolesnichenko I.E., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Head of "Design and construction of highways" department, Deputy Director, e-mail: kolesnichenko-igor@rambler.ru Artemiev V.B., Doctor of Engineering Sciences Kolesnichenko E.A., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Professor of "Design and construction of highways" department, e-mail: kolesnichenko-2718@rambler.ru
Lubomischenko E.I., PhD (Engineering), Associate Professor of "Design and construction of highways" department, e-mail: katya87lk@mail.ru
Abstract
The paper is devoted to the problem of preventing sudden emissions of methane and coal. It has been shown that there are no effective methods for predicting sudden methane emissions. The purpose and research methods are given. The problem must be solved on the basis of studying the genetic relationship of peat formation and coal bed metamorphism. It is noted that at the first stages of the study, the petrographic and chemical compositions of the organic mass of peat were substantiated. It is shown that sudden emissions were studied by specialists in the field of development technology, geomechanics, chemistry, mathematics, who did not take into account the material structure of the organic matter of the coal seam. The authors set out the methodology and physical foundations of the quantum theory of sudden methane and coal emissions. A description is given of the laws governing the formation of the internal energy of atoms of matter, the energy of a quantum and a photon. The patterns of absorption and emission by electrons of atoms of electromagnetic waves of thermal energy are described. The relationship between the energy of an absorbed photon and the distance between the centers of atoms is shown for the first time. The chemical structure of organic residues in a peat bog is given. It was shown that the physicochemical processes in the peat bog occurred when external energy was received from the Sun. After overlapping the peat, the physicochemical processes were initiated by the internal energy of the atoms of the forming coal seam. The authors first proposed the quantum-electronic hypothesis of a sudden release of meta and coal. The primary process of preparing for the release is to compress the formation, with an increase in external force pressure. The secondary process is an avalanche-like increase in the amount of electromagnetic radiation and the destruction of macromolecules. A condition for the occurrence of an avalanche-like increase in the number of electromagnetic radiation is the excess of the number of atoms in an excited state over the number of unexcited ones. These processes lead to an increase in the volume and pressure of methane in the reservoir. A description is given of micro-emissions during leaching of advanced cavities along an outburst hazardous formation.
Keywords
The mechanism of sudden ejection, Molecular structure, Mechanics of sudden ejections, Atoms, Electromagnetic waves, Photon, Methane, Energy levels, Heat transfer, Electronic orbitals, Physico-chemical processes, Metamorphism processes.
References
1. Kolesnichenko E.A., Artemiev V.B. & Kolesnichenko I.E. Vnezapnyye vybrosy metana: teoreticheskiye osnovy [Sudden methane emissions: theoretical basis.] Moscow, Gornoye delo Publ. "Kimmeriyskiy tsentr" LLC, 2013, 232 p. (Mining Engineer Library, Vol. 9, Mining aerology, Book 6). (In Russ.).
2. Gritsko G. Vnezapnyye vybrosy metana v shakhtakh [Sudden methane emissions in mines]. Nauka vSibiri - Science in Siberia, 2007, No. 32. (In Russ.).
3. Zhemchuzhnikov Yu.A. Obshchaya geologiya kaustobiolitov [General geology of caustobioliths]. Leningrad, Moscow, Glavnaya redaktsiya geologoraz-vedochnoy i geodezicheskoy literatury Publ., 1935, 548 p. (In Russ.).
4. Ivanov G.A. Uglenosnyye formatsii. Zakonomernosti stroyeniya, obrazovaniya, izmeneniya igeneticheskaya klassifikatsiya [Carbon Formations. Patterns of structure, education, changes and genetic classification]. Leningrad, Nauka Publ., 1967, 407 p. (In Russ.).
5. Xia T., Wang X., Zhou F. et al. Evolution of coal self-heating processes in longwall gob areas. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015, Vol. 86, pp. 861-868. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.03.072.
6. Xia T., Zhou F., Gao F. et al. Simulation of coal self-heating processes in underground methane-rich coal seams. International Journal of Coal Geology, 2015, Vol. 1-2, pp. 141-142. DOI: 10.1016/j.coal.2015.02.007.
7. Smirnov V.G., Dyrdin V.V., Ismagilov Z.R. et al. O vliyanii form svyazi s ugol'noy matritsey na gazodinamicheskiye yavleniya, voznikayushchiye pri podzemnoy razrabotke ugol'nykh plastov [About the influence of forms of communication with a coal matrix on gas-dynamic phenomena arising from underground mining of coal seams]. Bulletin of the scientific center for safety of work in the coal industry, 2017, No. 1, pp. 34-41. (In Russ.).
8. RD 05-350-00. Instruktsiya po bezopasnomu vedeniyu gornykh rabot na plastakh, opasnykh po vnezapnym vybrosam uglya (porody) i gaza. Vvodit-sya v deystviye s 01.10.2000 postanovleniyem Gosgortekhnadzora Rossii ot 22.06.2000 N 36 [RD 05-350-00. Instructions for the safe conduct of mining on formations hazardous for sudden emissions of coal (rock) and gas. Effective from October 1, 2000, by the resolution of the Gosgortekhnadzor of Russia No. 36 June 22, 2000]. (In Russ.).
9. Hui Li, Zengchao Feng, Dong Zhao & Dong Duan. Simulation Experiment and Acoustic Emission Study on Coal and Gas Outburst. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2017, Vol. 50, Issue 8, pp. 2193-2205.
10. Oparin V.N., Kiryaeva T.A., Gavrilov V.Yu. et al. O nekotorykh osobennos-tyakh vzaimodeystviya mezhdu geomekhanicheskimi i fiziko-khimicheskimi protsessami v ugol'nykh plastakh Kuzbassa [About some features of the interaction between geomechanical and physicochemical processes in coal seams of Kuzbass]. Fiziko-tekhnicheskiyeproblemy razrabotkipoleznykh iskopayem-ykh - Journal of Mining Science, 2014, No. 3, pp. 3-30. (In Russ.).
For citation
Kolesnichenko I.E., Artemiev V.B., Kolesnichenko E.A. & Lubomischenko E.I. Quantum-electron laws of the formation of metamorphic processes and the mechanism of sudden methane emissions in coal seams. Ugol'- Russian Coal Journal, 2020, No. 7, pp. 42-48. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-57902020-7-42-48.
Paper info
Received January30,2020 Reviewed March 14,2020 Accepted March 23,2020
