CC BY
37
СЕМИНАР 10
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© А.В. Шестопалов, 2001
УДК 622.272:622.831.325.3
А.В. Шестопалов
О НЕОБХОДИМОСТИ НАПИСАНИЯ ПРИНЦИПИАЛЬНО НОВОГО РАЗДЕЛА МЕХАНИКИ ГОРНЫХ ПОРОД
П
остепенно идеи синергетики приходят и в горную науку, например [1, 2], но только не в геомеханику. В современной геомеханике саморазрушение краевой части горного массива на больших глубинах, по прежнему, не рассматривается как самоорганизация неживой материи. С момента первых публикаций автора на эту тему [3-5] прошло уже около 20 лет и, тишина (ни одного отклика или ссылки). Во всяком случае в СССР, затем в СНГ и сейчас в России автору не известны такие работы.
Проблемы остаются на том же месте. Точные науки (методы геомеханики), практически, не находят применения на практике из-за отсутствия возможности получения исходных данных. Нет оснований считать, что лабораторные испытания образцов адекватны процессу разрушения в натурных условиях. Традиционные общепринятые знания об угле (как о трещиновато-пористом веществе, содержащем в себе метан в количествах, в которых он выделяется в горные выработки) не всегда адекватны опыту ведения горных работ на выбросоопасных угольных пластах, а, следовательно, не приемлемы для использования.
Система "угольный пласт - выработка" является открытой системой, причем сильно удаленной от своего механического (не термодинамического) равновесия. С увеличением глубины ведения горных работ, пришло время различать процессы медленно текущие (все известные шахтные и лабораторные измерения всяких величин) и
протекающие скачкообразно (мгновенно), в т.ч. и со скоростью звука, например, рост трещины, вызванный наличием поверхности обнажения. Это внешне очень похожие, как бы одни и те же, процессы хрупкого саморазрушения. Но последние являются самопод-держивающимися, саморазви-вающимися, которые пока не удается полностью воспроизвести в лаборатории. Это уже не просто диссипативные структуры (ДС), которых в природе бесконечное множество. Это ДС с самоорганизацией, и не важно под действием какого вида энергии. Например, образование ячеек Бенара под действием потока тепловой энергии или образование отжима в лаве под действием потока механической энергии.
К процессам образования ДС, сопровождающимся самоорганизацией материи, не применим второй закон термодинамики. Он не нарушается, он просто не применим. ДС с самоорганизацией не может быть "термодинамической ДС", как это принято, например, в работе [2], даже если она образуется под действием тепловой энергии. ДС с самоорганизацией может быть только механо-динамической структурой (процес-сом). Время образования ДС с самоорганизацией, как и время протекания процесса образования техногенных трещин саморазрушения практически равно нулю. За это время температура существенно измениться не может. Приращение энтропии на макроуровне практически равно нулю, т.к. площадь трещин есть бесконечно малая величина по сравнению с простиранием угольного пласта. На микроуровне энтропия вещества в стенках трещины не изменяется. Непосредственно в трещине вещество отсутствует. При этом, на макроуровне наблюдается то, чего не может быть в классической термодинамике. Из "беспорядка" образуется "порядок". Процесс течет с уменьшением энтропии, что для традиционной науки - нонсенс.
ДС в краевой части горного массива на больших глубинах (древовидная система растущих техногенных трещин саморазрушения) является фракталом не только в смысле геометрии. В нашей интерпретации, каждая трещина и процессы в ее окрестности это, "в каком-то смысле", повто-
рение горной выработки и повторение механизма процесса образования упорядоченной структуры дефектов в ее стенках. Трещины не образуются параллельно груди забоя [6], как это принято считать в традиционной геомеханике, развитой для подземных горных выработок С.А. Христиа-новичем и его последователями. Трещины саморазрушения растут в направлении от поверхности обнажения вглубь горного массива, а затем уже ветвятся на трещины параллельные груди забоя. Ветви дерева не могут вырасти раньше, чем вырастет ствол дерева. Это все многократно обсуждалось автором, например [3-6, 10, 11].
Традиционная геомеханика не рассматривает хрупкое твердое тело как многоуровневую самоорганизующуюся систему, где потеря устойчивости может происходить только самосогласованно на нескольких масштабных уровнях, как это делается, например, в физической мезомеханике. Она не различает медленно и быстро протекающие процессы, как это делается, например, в медицине, где не объясняют причину гибели в автомобильной катастрофе вирусными и другими смертельными заболеваниями, которыми страдал потерпевший. Она не предполагает, что объект исследования может качественно скачкообразно измениться (сфрагментироваться), как это делается в зоологии, где самоорганизация (появление бабочки из куколки) не требует доказательства.
Сегодня традиционные представления о гео-механических процессах при ведении горных работ на больших глубинах такие же, как и для малых глубин. Исследования, например, выполняются в лаборатории на образцах в области медленно текущих процессов, а результаты исследований распространяются на весь интервал скоростей протекания процессов. Применяемые "жесткие" пресса не могут обеспечить темп подвода механической энергии в том количестве, в котором может потребить образец и трансформировать ее в работу разрушения. Отсюда незаконченный акт разрушения и результаты неадекватные опыту ведения горных работ. В качестве "мягких" прессов могли бы использоваться молоты или "жесткий" пресс с мощной пружиной между пуансоном и образцом, но тогда возникает вторая проблема - чем регистрировать процесс протекающий со звуковой скоростью? Это, по мнению автора, основная причина отсутствия общепринятых представлений о механизме ди-
намических (ДЯ) и газодинамических явлений
(гдя).
В 1981 году автором было установлено, что механический процесс роста техногенных трещин саморазрушения является первопричиной, а газодинамика угольных пластов и вмещающих их боковых пород - вторична. Все последующие годы автор занимался пропагандой этого синергетического подхода в геомеханике (всего около 60 статей и изобретений). И что мы имеем, на сегодняшний день, по механизму образования техногенных трещин саморазрушения? А, практически, ничего не имеем. Дифференциальный подход (детальное исследование динамики механизма) к исследованию процесса роста системы техногенных трещин саморазрушения, протекающего со скоростью звука, в геомеханике отсутствует. Автору не известно, что кто-нибудь исследовал механизм (динамику) образования техногенных трещин саморазрушения. Все исследовали или состояние (геометрию) этих трещин на некотором конкретном шаге (в момент времени равный нулю) разупрочнения краевой части горного массива, в т.ч. после прекращения их роста, или подходили интегрально к процессу трещинообразо-вания как к непрерывному (гладко изменяющемуся без разрывов функции во времени) процессу. В связи с этим, по мнению автора, в геомеханике все еще дискуссируют по вопросам "что есть такое горное давление" (М.А. Иофис, ИПКОН РАН, 29.11.00 г.) или "что есть элементарный акт разрушения" (Е.И. Шемякин, МГГУ, 30.01.01 г.). Авторы многочисленных публикаций, обсуждая разрушение краевой части горного массива под действием горного давления, либо вообще обходятся без рисунка, либо на рисунке никак не изображают трещины, либо отображают систему трещин половинчато - только трещины параллельные поверхности обнажения. "Никакое" изображение у С.Г. Авершина [7], И.М. Петухова [7] и др., "половинчатое" отображение системы трещин саморазрушения у В.Н. Одинцева [8], Г.Я. Полевщикова [9] и др.
В геомеханике есть исчерпывающие сведения
о полной системе техногенных трещин саморазрушения, состоящей из трещин расслоения и секущих трещин, например по М.А. Иофису [7], но для условий, при которых процесс разупрочнения протекает медленно. Медленно, значит не под действием горного давления (внешних источников), а под действием веса разупрочненной массы
(внутренних источников) при подработке дневной поверхности или надработке нижележащих пород. Феномен самообразования техногенных трещин имеет 2 режима протекания: 1) медленный (вяло текущий) и 2) быстро протекающий. Первый наблюдается как постоянно протекающий в течении всего времени существования горной выработки. Второй возникает внезапно, протекает скачкообразно (в том числе со скоростями близкими к звуковым) и сопровождается на порядок большими разрушениями. Исходя из опыта ведения горных работ и неадекватной (никакой) реакции геомеханики на процесс самообразования техногенных трещин, делаем предположение, что главные проблемы горного производства (ДЯ и ГДЯ) до сих пор не решены потому, что не учитывали и не изучали самоорганизацию (коллективное поведение) при росте техногенных трещин саморазрушения.
Образование горной выработки в напряженном массиве горных пород означает, что силы горного давления до того располагавшиеся хаотически и компенсировавшие друг друга, теперь направлены в горную выработку. Образовавшаяся система "горный массив - выработка" на больших глубинах оказывается сильно удаленной от своего механического равновесия. Система восстанавливает утраченное равновесие путем создания в краевой части массива зоны разупрочнения. Последняя, подбучивает неразупроч-ненный массив, т.е. создает силу противодавления и таким образом восстанавливает утраченное равновесие. В краевой части горного массива наступает состояние, которое в традиционной геомеханике называется "напряженно-
деформированным" и которое ею и изучается. По представлениям автора [3-6, 10, 11], выработка является "стоком", к которому устремляются потоки механической энергии (силы горного давления). Чем протяженнее поверхность обнажения, тем она сильней прогибается (выпучивается). Поверхность обнажения, подобно парусу, надутому ветром, растягивается под действием вытекающего в горную выработку потока механической энергии. Так сжимающие напряжения порождают растягивающие напряжения. Абсолютные смещения достигают критических значений и "парус рвется", т.е. прорастает техногенная трещина саморазрушения. Абсолютные смещения являются критерием процесса разупрочнения.
У сфрагментированной (разупрочненной) поверхности обнажения ячеистая структура. В плоскости, это в основном неправильной формы 5-ти или 6-ти гранники, имеются так же многогранники с другим числом граней. Все многогранники практически одного характерного размера. Процесс протекает со звуковой скоростью и, следовательно, время от старта первой трещины до остановки последней трещины (окончания формирования системы трещин) практически равно нулю. Фрагментация (трещинообразова-ние) может наблюдаться на одном или на нескольких или на всех сразу микро-, мезо-, макро-и мега- масштабных уровнях. Кроме того, на каждом масштабном уровне одновременно присутствуют трещины "ближнего" и "дальнего" порядка. Фундаментальным свойством механизма является единый стереотип коллективного согласованного поведения (образования) дефектов на любом конкретном масштабном микро-, мезо-, макро- и мегауровне. Это скачкообразный "разворот" (самоориентация) дефекта вдоль направления действия сил горного давления при достижении критического удельного расхода потока механической энергии. На каждом масштабном уровне происходит одно и тоже. Находившиеся до того в хаотическом расположении дефекты, подобно флюгерам под действием ветра, "разворачиваются" вдоль силовых линий потенциального поля, создаваемого силами горного давления. Условия поворота (разворота), в первую очередь, наиболее вероятны на острие растущей трещины, где концентрация эквипотенциалей максимальная.
Режим обострения или, другими словами, горный удар, наступает, когда в системе "горный массив - выработка" появится обратная положительная связь. Это станет возможным когда трещина (зона разупрочнения) достигнет фундаментальной длины (глубины) в направлении от поверхности обнажения вглубь массива. Появление обратной положительной связи обусловлено тем, что развернувшиеся дефекты изменяют поле напряжений так, что увеличивают приток механической энергии к острию трещины. Увеличившийся поток вызывает осуществление новых элементарных актов "поворота", новые повороты вызывают увеличение плотности (удельного расхода) потока энергии. Процесс становится само-поддерживающимся, саморазвивающимся. Причиной остановки такого процесса является то, что
продукты разупрочнения имеют б’ольший объем, чем то же вещество ненарушенного горного массива. В результате "подбучивания" появляются силы противоположного направления силам горного давления, препятствующие росту деформаций "подвижной поверхности обнажения", т.е. на границе зоны разупрочнения и ненарушенного (ископаемого) массива. Они компенсируют силы горного давления, в результате в системе "горный массив - выработка" наступает механическое (не термодинамическое) равновесие.
Обсуждаемый синергетический подход [3-6, 10, 11] позволяет получать новые знания практически из ничего. Правда, пока только на гипотетическом уровне. Зато в области звуковых скоростей, которые пока недоступны для прямых экспериментальных измерений. Зато для самоорганизующихся процессов, для которых математического аппарата еще не создано. В качестве примера, в предыдущих двух абзацах "из ничего", т.е. без привлечения новых знаний кроме метода междисцмплинарных аналогий, было получено описание нового фундаментального представления о ДЯ как о переходном процессе краевой части горного массива из одного псевдоагре-гатного состояния в другое. Переход в третье псевдоагрегатное состояние то же имеет место быть. Он наступает тогда, когда псевдожидкость (разупрочненная масса) под действием внутренних источников энергии (веса разупрочненной массы) "вытекает" (высыпается) в горную выработку по упоминавшемуся выше известному механизму М.А.Иофиса [7]. В результате появляется возможность группировать (классифицировать) ДЯ по числу псевдофазовых переходов. Горный удар и внезапное поднятие почвы - это явления, у которых только первый переход. Высыпание угля на крутом падении и внезапное обрушение кровли - это явления, у которых два псевдофазовых перехода.
Рассмотренный подробно в более ранних публикациях автора, выброс угля и газа, так же явление, у которого два псевдофазовых перехода. При ГДЯ в роли внутренних источников энергии выступает выделяющийся в трещины саморазрушения газообразный метан, который создает газовое давление. При этом два переходных процесса протекают одновременно и взаимно поддерживают развитие друг друга.
Из опубликованных работ автора следует, что выброс угля и газа в скважину, пробуренную с
дневной поверхности, может произойти только при вскрытии угольного пласта, когда зоны разупрочнения еще нет, или при удалении (извлечении) достаточной ее части, желательно скачкообразно. На этом основан способ инициирования выброса угля и газа в скважину "специальным образом". Это "ноу-хау", которое встречается в предыдущих публикациях автора, например [10, 11], которое пришло время раскрыть во избежание утраты приоритета от 06.10.97 в связи с активизацией конкурентов. ИГТМ НАН Украины предлагает запатентованный способ добычи угольного метана [12, 13]. МГГУ, который всегда говорил, что "газовыделение в скважину не зависит от диаметра скважины", совместно с ННЦ ГП
- ИГД им. А.А. Скочинского, патентует способ направленный на добычу угольного метана путем создания полости вокруг скважины при помощи выброса угля и газа (по их терминологии "гео ГРП") [14] и т.п.
Доводим до сведения заинтересованных лиц, что инициирование выброса в скважину "специальным образом”, например, для образования каверны в угольном пласте вокруг скважины [11], с максимальной вероятностью, возможно только в случае бурения скважины, при вскрытии угольного пласта скважиной, под давлением рабочего агента из скважины на ее забой и стенки, достаточного для предотвращения роста техногенных трещин саморазрушения (рис. 1). После вскрытия пласта, трещинам предоставляется возможность прорасти, путем резкого сброса давления рабочего агента. Процесс роста трещин, при соответст-
трещины саморазрушения: 1 -
секущие трещины (кольцевые); 2 - трещины расслоения (цилин-дрические)
вующей глубине от дневной поверхности, сопровождается генерацией дополнительных количеств метана, что собственно и есть выброс угля и газа в скважину.
В случае вскрытия угольного пласта скважиной при атмосферном давлении, его краевая часть перейдет в псевдоагрегатное состояние "ра-зупрочненный уголь", которое, как известно, не является выбросоопасным. Инициирование выброса, при уже образовавшейся зоне разупрочнения, возможно только лишь резким (скачо-образным) приложением к скважине достаточно глубокого вакуума, в достаточном объеме и при отсутствии газопроницаемости стенок скважины. Описанный способ инициирования выброса геоматериала и газа "специальным образом" является составной частью, разработанной автором, геотехнологии "Вулкан" [10, 11].
Гипотеза автора о механизме ДЯ и ГДЯ, опубликованная в 1982 году [4, 5], а также в других его работах (в более последних, как феноме-
Рис. 1. Способ инициирования выброса угля и газа в скважину, позволяющий воспрепятствовать преждевременному образованию зоны разупрочнения вокруг скважины в области угольного пласта
нологическая теория управления этими явлениями), и как бы, на первый взгляд, не поддающаяся прямому натурному наблюдению или экспериментальной проверке, частично получила подтверждение в более поздних работах других исследователей, например (в скобках приводятся названия трещин по М.А. Иофису [7]):
• цилиндрические трещины (трещины расслоения) стали известны в геомеханике как "зона дезинтеграции" по работам Е.И.Шемякина и др. и были зарегистрированы как открытие [15];
• дисковые или кольцевые трещины (секущие трещины) стали известны в геомеханике как "отрывные" по работам В.Н. Одинцева [8].
Если так дальше пойдет, то может бог даст, и другие (остальные) основные положения феноменологической теории управления ДЯ и ГДЯ автора будут подтверждены или доказаны. Кроме того, у автора имеются свои доказательства, например, по мнению автора, исчерпывающее доказательство - фотография керна
(рис. 2) , опубликованная им впервые в работе [16] для доказательства механизма образования трещин вокруг скважины. При этом, следует об-
ратить внимание на то, что техногенные трещины саморазрушения образуются внутри керна. Это, возможно, абсолютно новая информация, о которой ранее не было известно науке, в частности в геомеханике. Геометрические параметры фактически наблюдаемых техногенных трещин саморазрушения, по мнению автора, полностью подтверждают предсказания (гипотезу) автора, опубликованные в 1981-82 годах.
Таким образом, с одной стороны, есть некие новые теоретические предпосылки, непротиворечивые внутренне и внешне, много обещающие в плане решения всех проблем геомеханики, связанных с добычей углеводородного топлива. С другой стороны стоит консервативность горной науки, которая не желает видоизменяться в плане методов исследования и понятийного аппарата. Задачи, решаемые методом "подвижных клеточных автоматов" и др. методами мягкого моделирования при помощи "мысленного эксперимента", не могут рассматриваться в рамках понятийного аппарата специальности "геомеханика и разрушение горных пород". Результаты, полученные таким путем, не могут быть представлены (положительно оценены) на специализированный совет, даже как кандидатская диссертация, без привлечения специалистов извне.
Следовательно, по мнению автора, пришло время написать принципиально новый раздел механики горных пород, который можно назвать, например, "неравновесной механодинамикой" или, более конкретно для геомеханики, "синергетикой краевой части горного массива". При этом,
традиционная геомеханика (механика горных пород) должна разместиться в разделе "квазирав-новесная механодинамика", а новые знания - в разделе "неравновесная механодинамика", названного так по аналогии с неравновесной термодинамикой. По мнению автора, к категории великих заблуждений ушедшего ХХ века можно отнести то, что, встретив внезапный выброс угля, породы и газа, человек не понял, что столкнулся с принципиально новым явлением, феноменом, о котором механика горных пород просто понятия не имеет, т.к. для нее самоорганизация в неживой природе не существует. Самоорганизация в краевой части горного массива на больших глубинах лежит вне области применения термодинамики. Так случилось, что этот груз "свалился на плечи" самой слабой науки, которая и сегодня еще не всеми признается как наука, как, например, химия или физика, а называется горным делом или горным искусством. Синергетика - наука о самоорганизации материи, но она не знает о существовании ДЯ и ГДЯ (динамических и газодинамических явлениях).
Более того, предлагается объединить, появившиеся в одно и то же время независимо друг от друга, новые научные направления -физическую мезомеханику и синергетику краевой части горного массива под общим названием "механо-динамика" (по аналоги с термодинамикой). При этом оба научных направления должны содержать подразделы "квази-равновесная" и "неравновесная" механодинамика.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Пучков Л.А., Аюров В.Д. Синергетика горнотехнологических процессов. - М.: Изд-во МГГУ,
1997. - 264с.
2. Беспятов Г.А., Вылегжанин
В.Н., Золотых С.С. Синергетика выбросоопасной горной среды. -Новосибирск: Наука, Сибирская издательская фирма РАН, 1996. -190с.
3. Шестопалов А.В. Термоэлектрический расходомер для замеров газовыделения из скважин.
- Сб. Разработка и обогащение твердых полезных ископаемых. -
М.: ротапринт ИПКОН АН СССР, 1981. - с.168-172.
4. Шестопалов А.В. Исследование механизма газодинамических и деформационных процессов в краевой части разрабатываемого угольного пласта. - Сб. Физико-технические и технологические проблемы разработки и обогащения твердых полезных ископаемых. - М.: ИПКОН АН СССР, 1982. - с.39-44.
5. Шестопалов А.В., Ставров-ский В.А. Динамика газоотдачи разрабатываемого угольного пласта при его искусственной дегаза-
ции. - Сб. Прогноз и предотвращение газопроявлений при подземной разработке полезных ископаемых. - М.: ИПКОН АН СССР, 1982. - с.142-157.
6. Шестопалов А.В. О неадекватности одномерной модели выброса угля и газа С.А.Христиановича натурным наблюдениям при ее двумерной постановке. - Сб. Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках. / Сборник научных трудов IX международной научной школы. -
Симферополь: ТНУ, 1999. - с.87-88.
7. Иофис М.А. Научные основы управления деформационными и дегазационными процессами при разработке полезных ископаемых. -М.: ИПКОН АН СССР, 1984. - 231с.
8. 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.
9. Полевщиков Г.Я. Разработка адаптивных методов предупреждения и локализации динамических газопроявлений при проведении выработок по угольным пластам. / Автореферат диссертации на соискание ученой степени докт.техн.наук - Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН,
1998. - 48с.
10. Шестопалов А.В. Содержался ли газ в угольных пластах, калийных рудах и других горных породах, опасных по внезапным выбросам, до техногенного воздействия на них. -Сб. Материалы Х Межотрасле-
вого координационного совещания по проблемам геодинамиче-ской безопасности
(г.Екатеринбург, 6-9 октября 1997г.). - Екатеринбург: Vl '1'l А, 1997. - с.243-249.
11. Шестопалов А.В. Об эф-
фективности геотехнологий добычи угольного метана, основанных на образовании полости вокруг скважины. - Сб. Сокращение эмиссии метана: Доклады
II Международной конференции (на русском языке). - г. Новосибирск: Издательство СО РАН, 2000. - с.439-445 (A.V.
Shestopalov. On efficiency of coal seam methane extraction geotechnologies involving cavity generation around wells. In: Methane mitigation: Proceeding of Second International Conference (June 18-23, 2000, Novosibirsk, Russia). Novosibirsk, SO RAN, 2000. -p.419-422).
12. Софийский К.К., Бараду-лин Е.Г., Александров В.Г., Воробьев Е.А. Способ добычи метана из угольных пластов. - Сб. Проблемы аэрологии горнодобывающих предприятий. / Сборник научных трудов Национальной гор-
ной академии Украины N 5. - г. Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999. - с. 128-131.
13. Булат А.Ф., Софийский К.К., Савченко Н.П., Невзоров А.И., Барадулин Е.Г., Нечитай-ло В.А. Способ добычи метана из угольных пластов. - Патент 21060 А Украина, МПК 6Е2№ 5/00. Опубл. 27.02.98. Бюлл. 1.
14. Пучков Л.А., Сластунов
С.В., Фейт Г.Н. Знакопеременное гидровоздействие в режиме кавитации с использованием геоэнергии углегазоносного массива (гео ГРП). - Патент РФ по заявке 2000111181/03 (011851), 2000.
15. Закономерность разрушения горных пород в приконтурной области выработки. / Диплом N 43 на научное открытие. - Российская академия естественных наук (РАЕН).
16. Шестопалов А.В. Кон-
цепция геотехнологии промысловой добычи метана и угля исключительно за счет энергии природных сил. - Изд-во МГГУ, Горный информационно-
аналитичес-кий бюллетень,
1999, N 2. - с. 154-159.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Шестопалов Анатолий Васильевич - инженер, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
