CC BY
32
«АЭРОЛОГИЯ ; И . ОХРАНА ; ТРУДА»
УДК 622.272:622.831.325.3
А.В. Шестопалов
О ФРАКТАЛЬНОСТИ МЕХАНИЗМА ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ИЗ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА НА МАЛЫХ И БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ
I—I астоящий доклад прозвучал по--*-следним на Семинаре N 6 "Проб-лемы угольного метана" Международного симпозиума "Неделя горняка - 2000" и поэтому у нас есть возможность использования предшествующих выступлений. По нашему мнению, на нынешнем семинаре (симпозиуме) прозвучало два сенсационных сообщения. Первое сообщение в докладе Института проблем комплексного освоения недр Российской академии наук (ИПКОН РАН), докладчик Гурьянов В.В., о том, что угольные пласты непроницаемы для газа начиная с глубин ниже зоны газового выветривания. Второе сообщение в докладе Московского государственного горного университета (МГГУ), докладчик Сластунов С.В., о том, что они давно занимаются ка-вернообразованием, т.е. они, вопреки своей теории, вокруг скважин, предназначенных для гидрорасчленения пласта (НГРП), вымывают полости. Кризис, связанный с несоответствием теоретического обоснования опыту ведения горных работ на больших глубинах, о котором мы пишем последние 15 лет, к нашей радости, наконец, кажется, наступил. Радость наша связана с надеждой, что все исследования, связанные с газовыделе-нием из угольных пластов, теперь будут вынуждены переориентироваться на выбранное нами научное направление [1-4]. Другого механизма газо-выделения из газонепроницаемых угольных пластов, альтернативного нашему механизму, пока нет.
Фрактальность объекта исследования способствовала оттягиванию момента наступления кризиса. Фрак-
тальность - это образ, в данном случае, это очень сильное внешнее сходство, всегда существовавших в природе и конкурирующих между собой двух механизмов. Из-за фрактально-сти объекта исследования, второй механизм оказался вовремя не замеченным. На малых глубинах преобладал общепринятый фильтрационный механизм, он хорошо согласовывался с результатами лабораторных исследований и подтверждался расчетами на основе хорошо разработанного математического аппарата. По мере углубления горных работ, стали проявляться процессы саморазрушения краевой части разрабатываемого угольного пласта: отжим, высыпание и другие динамические (ДЯ) и газодинамические явления (ГДЯ). Попытка, по инерции, с позиции традиционных знаний, объяснить ранее неизвестный класс явлений, породила множество гипотез. Практически по каждому типу ДЯ и ГДЯ возникли направления научных исследований по их прогнозированию и предотвращению.
В действительности, все ДЯ и ГДЯ "генетически" связаны между собой, и имеют один общий меха-
низм, который состоит (включает в себя) из похожих, практически аналогичных механизмов каждого конкретного явления. Механизм каждого конкретного явления, например, с выделением газа или без выделения газа, состоит из большого числа аналогичных механизмов, каждый из которых, в свою очередь, так же состоит из таких же механизмов. Представить фрактальное строение механизма саморазрушения краевой части горного массива, мы предлагаем по аналогии с геометрическими фракталами (рис. 1 [5] и рис. 2 [6]).
Попытаемся на нескольких примерах показать фрактальность механизма газовыделения из угольного пласта на малых и больших глубинах, т.е. фрактальность (похожесть) традиционного и альтернативного механизмов.
Например, мы не можем согласиться с мнением традиционного подхода, что выброс угля, породы и газа происходит путем послойного отрыва. В то же время в нашем механизме присутствует фрактал послойного отрыва. Не обратив внимания на то, что он присутствует в определенном месте и в определенное время эволюции феномена, можно сказать, что в альтернативном механизме трещины образуются так же, как и в традиционном механизме, параллельно груди забоя.
В теории гидродинамического воздействия [7, с.75] Института геотехнической механики Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАНУ), автора способа добычи угольного метана [8] аналога технологии "ка-вернообразования" США [9], написано следующее. "При выполнении критериев разрушения в зоне гидродинамического воздействия происходит послойное разрушение угля. Образование, в результате гидродинамического воздействия, новых открытых
поверхностей угля создает условия для интенсивной десорбции сорбированного углем газа, что может способствовать возникновению самопод-держивающегося процесса разрушения угля". Публикации о "послойном отрыве" не редкость, например [10, 11], (ИПКОН РАН).
Живучесть гипотезы послойного отрыва и одноименной одномерной математической модели С.А. Хри-стиановича [12] мы объясняем фрак-тальностью явлений в природе, сильным сходством, при котором очень легко ошибиться. В данном случае можно говорить о полной идентичности традиционного и альтернативного механизма на качественном уровне. При этом сравнивать нужно одномерные модели, в т.ч. и модель альтернативного механизма. Однако, элементарная проверка традиционного механизма на адекватность натуре, например, абсолютно точно известному свойству ГДЯ, что полость выброса бывает грушевидной формы, показывает, что модель не работает. Из этой модели, при трансформации ее в двумерную без изменения исходных посылок, не возможно получить грушевидную конфигурацию фронта распространения процесса.
Наведенные поверхностью обнажения трещины, после прекращения роста, в соответствии с фрактально-стью, не отличаются геометрией от системы трещин, известной в классической геомеханике как секущие трещины 1 и трещины расслоения 2 (рис. 3) [13].
В этом поразительное сходство механизма образования техногенных трещин на малых и на больших глубинах. Однако отличия существуют,
и, координальные. Как видно из схемы (см. рис. 3), на малых глубинах (при квазистационарном режиме протекания процесса трещинообразова-ния), горные породы сначала расслаиваются на слои, которые, подобно балкам, потом ломаются посредине. По нашим данным, в режиме обострения (на выбросоопасных глубинах), слой геоматериала сначала ломается, а затем уже расслаивается, т.е. сначала прорастает секущая трещина нормальная к поверхности обнажения, а затем она ветвиться на трещины расслоения. Условия нахождения системы "угольный пласт - выработка", сильно удаленной от своего равновесного состояния, аналогичны условиям динамических (ударных) нагрузок на пластический материал. Посмотрите, например, на головку слесарного зубила (рис. 4), на ней хорошо видно, откуда начинают расти трещины. Первой прорастает трещина нормальная к "груди забоя", а только потом трещины параллельные "поверхности обнажения".
Трещины саморазрушения (наведенные трещины) всегда имеют древовидную структуру (рис. 5, рис. 6) и, в силу этого, ярко выраженную геометрическую фрактальность. Это свойство (особенность) альтернативного механизма прерогатива теории фрактальных множеств. В горной науке, это свойство может быть использовано, разве что, в качестве критерия для конкретизации термина "большие глубины".
В настоящей работе нас интересует фрактальность другого рода - схожесть (аналогичность) между явлениями. Используя фрактальный подход, мы пытаемся ответить на вопрос,
Рис. 4
каким образом фильтрационному механизму удавалось 100 лет удовлетворять горную науку. И находим, что основные гипотезы традиционного подхода содержали в себе очень многие фрагменты альтернативного механизма. Например, послойный отрыв по схеме теории гидродинамического воздействия [7, 10-12], в альтернативном механизме наблюдается при разрушении буферной зоны (см. рис. 5) [1-4]. Гипотезы о "газовом мешке -мембране", о существовании природной газопроницаемости угольных пластов, о том, что в угле содержится метан в молекулярном виде в количествах достаточных для наблюдения всего диапазона ДЯ и ГДЯ и др., также находит отображение в альтернативном механизме [1-4]. Разве грушевидный газовый коллектор не похож на газовый мешок (см. рис. 5)? Из-за того, что наведенная газопроницаемость и дополнительные количества газа появляются одновременно, скачкообразно (мгновенно), создается впечатление, что они были всегда. Отличительная особенность альтернативного подхода в том, что все перечисленное, не существовало до ведения горных работ, а образовывается, появляется (генерируется) в результате псевдофазового перехода "ненарушенный массив" - "разупрочненный массив" - "газоугольный поток".
В системе "угольный пласт - выработка", несильно удаленной от механического равновесия, процесс де-фектообразования может протекать в двух режимах: 1) квазистационарном режиме и 2) режиме с обострением. В системе "угольный пласт - выработка", сильно удаленной от механического равновесия, не исключено, что процесс дефектообразования сможет протекать в четырех режимах, в т.ч. в двух режимах бывшего режима с обострением: 1) квазистационарном режиме обострения и 2) режиме обост-
рения в степенной зависимости. В первом режиме - просто генерировать метан и превращаться в уединенную волну (солитон), движущуюся с постоянной скоростью. При этом продукты синергетического "горения" активной среды удаляются (перемещаются с места их образования) газоугольным потоком, т.е. система должна быть открытой. Во втором режиме система, по каким-то причинам, оказывается закрытой, например, в связи с определенными прочностными свойствами буферной зоны или очень большим темпом генерации газа. Давление газа в полости достигает критических величин и происходит взрыв, в результате получаем воронкообразную полость. Воронкообразная полость может образоваться и при солитоноподобном выбросе. Для этого достаточно не дать выбросу развиться, что часто бывает, когда призабойное пространство оказывается перекрытым выемочной машиной или недостаточных размеров для беспре-пятсвенного перемещения продуктов разрушения с места их образования.
ДЯ и ГДЯ - это процесс дефекто-образования, известный горнякам как процесс саморазрушения краевой части разрабатываемого горного массива на больших глубинах. Растущие спонтанно (самопроизвольно) дефекты могут вскрывать внутренние источники энергии или не вскрывать. Внутренние источники энергии могут быть в виде газового давления или гравитационных сил. Для отображения коллективного поведения элементарных актов (элементарных фракталов) требуется еще столько фракталов (описаний явления), сколько траекторий эволюции может существовать на рассматриваемом масштабном уровне (уровнях). В принципе, это все известные ДЯ и ГДЯ, но может оказаться, что кое с чем человек еще не знаком. Например, два и более выбросов, протекающих одновременно в одном забое. Ответ на этот вопрос, сколько существует всего стационарных структур, может дать синергетика и мягкое моделирование, как средство решения задач синергетики. По нашему мнению, моделирование не процесса, как это принято в жестком математическом моделировании, а моделирование, в т.ч. и математическое, среды обитания, в которой этот процесс может родиться и развиваться [14, 15].
Процесс дефектообразования течет (происходит) из-за того, что горными работами было нарушено механическое равновесие системы. Процесс дефектообразования восстанавливает это, потерянное системой, равновесие. В зависимости от степени возбуждения системы (удаленности от механического равновесия) процесс может одновременно протекать на нескольких масштабных уровнях. Указанный процесс аналогичен фазовым переходам "плавление" и "кипение". Псевдофазовые переходы "разупрочнение" и "образование газоугольного потока", в зависимости от степени возбуждения системы, могут наблюдаться как по очереди, так и одновременно. Самоорганизация, в процессе дефектообразования, проявляется только в виде упорядоченной древовидной структуры и, одновременно, ячеистой структуры типа ячеек Бенара. Процесс саморазрушения краевой части пласта аналогичен разложению вещества под действием температуры, но в отличие от него, имеет много степеней свободы и, в зависимости от внешних и внутренних условий, может протекать по разным траекториям.
Перечисление можно продолжить, но мы думаем, что уже этого достаточно, чтобы представить насколько "кучерявым" (см. рис. 2) получается результирующий фрактал. Описание механизма ДЯ и ГДЯ словами, более подробно, чем мы это уже сделали в предшествующих публикациях, нам представляется невозможным. Чем более подробно мы стараемся его описать, тем больше возникает неясности. В целом ДЯ и ГДЯ - явление очень сложное только для описания словами. К счастью, состоит оно из большого числа одинаковых очень простых явлений. Элементарным актом является образование дефекта, например, в виде трещины, микротрещины или дислокации. Эта формализация позволяет эффективно применять метод клеточных автоматов [14].
С увеличением глубины разработки несоответствие теоретического обоснования опыту ведения горных работ становится все более очевидным, а в области газодинамических явлений (ГДЯ), типа выброса угля, породы и газа, полностью неприемлемым. В других случаях, например, в области разработки методов промысловой (эффективной) добычи угольного метана, на основе различных физико-химических воздейст-
вий (нагнетание различных реагентов, волновое воздействие, гидрорасчленение, пневмогидровоздействие, ядерный взрыв и др.) на угольный пласт, это несоответствие пока еще не стало очевидным для многих исследователей. Если, судить по публикациям, современные исследования по ГДЯ практически прекратились, но по сорбции-десорбции и другим термодинамическим процессам в образцах угля не прекращаются, а наоборот активизировались в связи с успехами США по добыче угольного метана через скважины, пробуренные с поверхности [9].
По нашему мнению, на сегодняшний день абсолютно доказано, что газоносные угольные пласты в нетронутом состоянии непроницаемы всюду ниже зоны газового выветривания [16]. В случае признания этого факта традиционной горной наукой, возникает вопрос, каким образом метан попадает в трещины гидрорасчленения (НГРП) [17] или, при отсутствии НГРП, просто в техногенные трещины, то есть, в конечном результате, в добычную скважину или горную выработку на больших глубинах. Угольное вещество в окрестности трещин находится в упомянутом выше "нетрону-том состоянии" и газонепроницаемо в режиме фильтрации. Режим диффузии, по понятным причинам, в расчет не принимается. Десорбция адсорбированного метана, содержащегося на поверхности обнажения - бесконечно малая величина.
Из теории НГРП [17] следует, что увеличение диаметра скважины не приводит к увеличению дебита метана. Тем не менее, МГГУ, автор НГРП, вопреки своей теории, проводит натурные эксперименты по вымыванию полости вокруг скважин, пробуренных с дневной поверхности. О чем ими впервые было заявлено на настоящем симпозиуме в докладах Сластунова С.В. (МГГУ) и Горбунова С.М. (Угольный департамент АО "ИСПАТ-КАРМЕТ", Управление "Спецшахтомонтаж-дегазация"). Последним докладчиком были названы даже цифры, например: диаметр вымытой полости - 6-8 м, количество вымытого угля - 40 т, фракция извлекаемых из скважины угольных частиц - до 5 см.
На предшествующих симпозиумах "Неделя горняка", а так же в упомянутом выше докладе Сластунова С.В., постоянно присутствовал и присутствует сейчас тезис, что технология "кавитации" или "каверно-образования" США [9] и технология НГРП (МГГУ) [17] -
есть одно и то же, а если и существуют отличия, то только в химическом составе рабочей жидкости. Возможно, это говорит о том, что ученые из МГГУ раньше всех, не считая автора настоящей публикации, засомневались в достоверности информации, представленной американцами научной делегации из России. Возможно, были другие мотивы, но главное, у нас появилась надежда, что МГГУ получит, а может уже получил, дебиты скважин соизмеримые с американскими, попытается объяснить свой успех и у нас появятся единомышленники по механизму газовыделения из газонепроницаемых угольных пластов. С позиций традиционных знаний это не возможно объяснить, кроме как объявить место эксперимента "сладкой точкой" или микрогазовым месторождением.
Для образования полости, американцами используется вода, нагнетаемая под давлением в скважину. Отсюда у нашей научной делегации, ездившей в США, могли образоваться представления об использовании НГРП. Мы не видим необходимости применения гидрорасчленения ни до образования полости (каверны) ни после. В первом случае ухудшается способность угольного пласта к саморазрушению. Во втором случае - остаточная обводненность трещин должна снижать фильтрационные свойства угольного пласта и затруднять движение метана к скважине, по сравнению с сухими трещинами. Кроме того, представляется сомнительным вообще возможность осуществления режима гид-
рорасчленения при существующей мощности нагнетающих агрегатов, и увеличившейся во много раз площади поверхности, в случае нагнетания из каверны. Мы не знаем подробностей передачи (предос-тавления) информации американскими специалистами. Но нам кажется, что это была дезинформация с целью скрыть истинное "ноу-хау". Например, могли быть показаны только патенты аналогичные авторским свидетельствам МГГУ в области воздействия на угольные пласты в режиме НГРП и т.п.
По нескольким признакам, аналогом технологии "каверно-образования" США может быть локальный способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа при подземной разработке угольных месторождений - гидровымывание опережающих полостей [18, с.102-105]. Более близким аналогом являются наши способы дегазации угольных пластов из подземных выработок, основанные на образовании полости вокруг дегазационных скважин [19-21]. Наиболее близким аналогом является, по совокупности признаков, технология ИГТМ НАНУ [8], что подтверждается их теорией [7, с.75]. При этом, мы единственные, возможно в мире, авторы теоретического обоснования принципа "кавернообразования" для газонепроницаемых угольных пластов, т.е. почему этот принцип работает со скоростью распространения в пространстве близкой к звуковой.
Таким образом, состояние обсуждаемого вопроса в горной науке таково,
что общепринятые знания об угольном веществе и других полезных ископаемых представляют собой одну часть, при этом существенно меньшую, знаний о природном феномене, существующих вообще. Вторая часть, подобно фракталу, находится как бы над первой и включает ее в себя. Первая часть рассматривает инерционные термодинамические процессы, вторая часть пренебрегает ими как бесконечно малой величиной по сравнению с безинерционными (скачкообразными) процессами, протекающими под действием сил горного давления. С точки зрения неравновесной механодинамики все процессы саморазрушения и связанные с ними процессы генерации, протекают при постоянной температуре. На малых глубинах преобладает традиционный фильтрационный механизм.
На малых глубинах, предлагаемые нами новые механодинамические представления, являются частным случаем традиционных знаний и относятся к истории образования молекулярного метана. На больших глубинах угольные пласты перестают быть газопроницаемыми, начинает преобладать механизм самоорганизации техногенной проницаемости и генерации молекулярного метана. Для больших глубин, наоборот, традиционные знания являются частным случаем предлагаемых нами новых представлений, действующих не в историческое, а в настоящее время (время ведения горных работ).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шестопалов А.В. Механизм выброса газонасыщенной горной породы с точки зрения теории катастроф. - Сб. Методы прогнозирования и предотвращения загрязнений рудничной атмосферы газами и пылью. - М.: ИПКОН АН СССР, 1984. - с.58-81.
2. Шестопалов А.В., Марченкова Т.Г. Спонтанная вторичная десорбция и образование сильно измельченного угольного вещества при выбросе угля и газа./ Сб. Методы борьбы с рудничными газами и пылью. - М.: ротапринт ИПКОН АН СССР, 1987, с.85-106.
3. Шестопалов А.В., Марченкова Т.Г., Мягков А.А. Синергетический подход при исследовании механизма выброса угля и газа. -Сб. Геомеханика выбросоопасных угольных пластов и аэрогазодинамика глубоких шахт. - М.: ротапринт ИПКОН АН СССР, 1988. -с.105-123.
4. Шестопалов А.В. Концепция геотехнологии промысловой добычи метана и угля исключительно за счет энергии природных сил. / Доклад на научном симпозиуме "Неделя горняка - 99". Семинар N 20 "Физикохимическая геотехнология" (25-29 января 1999г., МГГУ, г.Москва). - Горный информационно-аналитический бюллетень, 1999, N 2. - с.154-159.
5. Иванова В.С. и др. Синергетика и фракталы в материаловедении. - М.: Наука, 1994. - 383с.
6. http://www.rz.tu-ilmenau.de/~ai008/resneuronum/gb-menu.htm.
7. Софийский К.К., Калфакчиян А.П., Воробьев Е.А. Нетрадиционные способы предотвращения выбросов и добычи угля. - М.: Недра, 1994. - 192с.
8. Софийский К.К., Барадулин Е.Г., Александров В.Г., Воробьев Е.А. Способ добычи метана из угольных пластов. - Сб. Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины №5. Проблемы аэрологии горнодобывающих предприятий. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999. - с.128-131.
9. EPA. International antropogenic Methan Emission: Estimates for 1990. Report to Congress, 1994.
10. Одинцев В.Н. Отрывное разрушение массива скальных горных пород. - М.: ИПКОН РАН, 1996. - 166с.
11. Одинцев В.Н. Закономерности образования отрывных трещин в горных породах вблизи выработок на больших глубинах. / Автореферат диссертации на соискание ученой степени докт.техн.наук. - М.: ИПКОН РАН, 1998. - 32с.
12. Христианович СА., Салганик Р.Л. Внезапные выбросы угля (породы) и газа. Напряжения и деформации. / Препринт Ин-та пробл.механики АН СССР. - М. - 1980. - N 153.
13. Иофис М.А. Научные основы управления деформационными и дегазационными процессами при разработке полезных ископаемых. - М.: ИПКОН АН СССР, 1984. - 231с.
14. Худин М.Ю., Шестопалов А.В. Клеточные автоматы в задачах хрупкого саморазрушения газоносных горных пород. - Сб. Актуальные вопросы безопасности горных работ. - М.: ротапринт ИПКОН РАН, 1994. - с.58-71.
15. Шестопалов А.В. Математическая модель выброса угля (поро-
ды) и газа. - Сб. Методы борьбы с рудничными газами и пылью. - М.: ротапринт ИПКОН АН СССР, 1987. - с.8-18.
16. Кузнецов С.В., Трофимов В.А. Газодинамика угольных пластов. - Сб. Проблемы безопасности и совершенствования горных работ (Мельниковские чтения). / Тезисы докладов Международной конференции, Москва - Санкт-Петербург 11-17 сентября 1999г. -Пермь: ГИ УрО РАН, 1999. - с.131-132.
17. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 1996. - 442с.
18. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пла-
стах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа. - М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1989. - 192с.
19. Айруни А.Т., Ставровский В.А., Бубликов Ю.Л., Шестопалов А.В. Способ дегазации разрабатываемых угольных пластов. / А.с.СССР N 1002605, 1982.
20. Айруни А.Т., Ставровский ВА., Лазарев В.Г., Шестопалов А.В. Способ дегазации разрабатываемых угольных пластов. / А.с.СССР N 1011866, 1982.
21. Айруни А.Т., Ставровский ВА., Шестопалов А.В., Зотов ВМ. Способ дегазации угольных пластов. / А.с.СССР N 1113570, 1984.
Шестопалов А.В.
воения недр РАН.
инженер, научный сотрудник, Институт проблем комплексного ос-
