CC BY
31
© А.В. Шестопалов, 2002
УЛК 622.272:622.831.325.3
А.В. Шестопалов
ОБРАЗОВАНИЕ РУЛНИЧНОЙ ПЫЛИ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ МЕЗОМЕХАНИКИ
Около 20-ти лет назад, в механике была сформулирована новая парадигма - концепция структурных уровней деформации твердого тела. На протяжении последующих лет эта концепция была подтверждена теоретически и экспериментально и легла в основу нового научного направления - физической мезомеханики материалов, которое связало континуальную механику с физикой пластичности и прочности. Физическая мезомеханика рассматривает деформируемое
твердое тело как многоуровневую самоорганизующуюся систему, где потеря сдвиговой устойчивости происходит самосогласованно на микро-, мезо- и макромасштабных уровнях, а элементарным актом пластического течения является "сдвиг плюс поворот". Это приводит к возникновению диссипативных ме-зоструктур и фрагментации материала на мезоуровне. Разрушение образца является конечной стадией фрагментации материала на макроуровне, когда происходит глобальная потеря сдвиговой устойчивости. Физическая мезомеханика была темой нескольких международных конференций, проведенных в России, Израиле, Германии и Китае. С 1998 г. издается журнал "Физическая мезомеханика" [1].
Известно, что одной из причин, способствующих увеличению пылеобразования, приводящего к профессиональному заболеваю шахтеров пневмокониозу, является переход горных работ на глубокие горизонты [2]. Объяснения этому феномену в рамках традиционного подхода нет. Обычно это связывают с применением высокопроизводительной техники, увеличением нагрузки на забои очистных и подготовительных выработок, т.е. с более интенсивным измельчением по-
роды и угля. Нет единого мнения о том какая пыль более вредная породная или угольная, но общепринятым считается то, что чем мельче фракция, тем пыль вреднее, например, опасные и вредные свойства углей определяются состоянием активации их структуры [2]. При этом известно, что пневмокониозоопасность ниже для углей марок Г, Ж, К и выше для марки А. Следовательно, чем прочнее уголь, тем больше образуется пыли супермелкой фракции.
Как говорил Кудряшов В.В. (ИПКОН РАН), не по этому поводу, «уголь - это очень грязное вещество». Возможно в этом ответ на вопрос о том, откуда берется очень мелкая пыль, т.е. она содержится изначально в угле. Но остается открытым главный вопрос - как связать ее увеличение с увеличением глубины разработки. Темп увеличения последней несоизмеримо мал, по сравнению с необходимым темпом прироста энергозатрат на производство супермилонитов. Делаем предположение, что с глубиной угольное вещество становится еще «грязнее» и не только уголь, но и песчаники, а возможно, все твердые полезные ископаемые и горные породы. А каким образом, ответ дает физическая мезомеханика.
С увеличением глубины разработки несоответствие теоретического обоснования опыту ведения горных работ становится все более очевидным в области газодинамических явлений (ГДЯ), типа выброса угля, породы и газа. В других областях, в т.ч. при разработке методов борьбы с рудничной пылью, это несоответствие пока еще не стало очевидным для многих исследователей. По мнению автора, перед тем как заниматься пылью (борьбой с пылью на больших глубинах),
нужно было посмотреть, а что изменилось в шахте (чего не было на малых глубинах и что появилось на больших)? Ответ лежит «на поверхности» - саморазрушения краевой части массива не было на малых глубинах (даже в виде отжима, не говоря уже о ГДЯ). В шахте нет ничего кроме саморазрушения и все проблемы с газопылефлюидодинамикой при ведении горных работ «завязаны» на это явление. Нужно заниматься исследованиями техногенной трещиноватости всем, кто связал свои исследования с подземным способом добычи. Автора не устраивает позиция других исследователей, из-за которой ему пришлось в одиночку всю жизнь копаться (разбираться) во всяких фрактально-
синергетических бифуркациях»? Настоящая публикация обращена к тем «пылевикам», которые продолжают не обращать внимание на появление принципиально нового свойства - самоорганизации в протекании процессов в краевой части массива, которой не было на малых глубинах.
Наведенные поверхностью обнажения трещины в кровле, почве или в краевой части движущегося забоя - это трещины, образующиеся под действием сил горного давления. Просьба не путать с весом налегающей, нависающей (выше лежащей) толщи пород. Сила веса может действовать только вертикально вниз. А силы горного давления в любом направлении.В рассматриваемом случае горное давление действует (механическая энергия вытекает) из горного массива в выработку. Чем больше глубина разработки, тем больше трещин саморазрушения. В связи с фрак-тальностью всех процессов тре-щинообразования (они в некотором роде подобны), техногенные трещины саморазрушения имеют ту же самую геометрию, что и трещины, образующиеся в кровле над выработанным пространством под действием силы тяжести выше лежащей разупрочненной толщи пород (так называемому механизму образования мульды сдвижения) на малых глубинах. Трещины мульды сдвижения давно известны в геомеханике как
секущие трещины и трещины расслоения. Однако, между сравниваемыми системами трещин имеется очень важное отличие в том как они образовались. На малых глубинах (при квази-стационарном режиме протекания процесса трещинообразова-ния), горные породы сначала расслаиваются на балки (слои), которые 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.
Из работ автора, например [39], известен механизм ДЯ и ГДЯ (по мнению оппонентов гипотеза), который на макромегауровне представляет из себя результирующий эффект от коллективного согласованного поведения самоорганизующихся систем и подсистем на мезо- и микромасштабных уровнях. Процесс формирования наведенной трещиноватости представляется первопричиной процесса ГДЯ. Но не все, растущие скачкообразно со скоростью звука, трещины сразу, а только лишь одна, первой достигшая фундаментальной длины. После чего рост остальных трещин прекращается. В макро-мегауровневом механизме автора генерация метана угольным веществом происходит на мезо-микроуровне (рис. 1).
Скачкообразно появляющаяся
анизотропия диффузионной
проницаемости (волна свойств вдоль линий тока энергии горно-
го давления) вызывает спонтанное скачкообразное появление метана в трещине. Происходит не химическая реакция, а некая неизвестная науке реакция («сверхбыстрая реакция разложения в твердых телах давлением» [10]). По мнению автора, ме-ханодинамическое (нетермодинамическое) разложение твердого углеводородного раствора на газообразную и твердую компоненты - для угля, соответственно, на метан и супермилониты («бешеную муку»).
По мнению автора метана в «высокогазоносных» и выбросоопасных угольных пластах практически нет. Газ в угольном пласте и его пластовая газовая проницаемость появляются одновременно в результате быстро протекающего разупрочнения пласта техногенными трещинами саморазрушения. Этот же самый процесс, но медленно протекающий к генерации дополнительных количеств газа не приводит. Быстро протекающий процесс при определенной критической «массе» (массовости коллективного поведения элементарных объемов) вызывает не только генерацию метана на острие трещины, но и самогенерацию (так называемую автором «вторичную десорбцию») метана метаном из стенок трещины (рис. 2) и переходит во взрывоподобный режим, который традиционно называется «выбросом угля и газа».
Выделившийся газ порождает поток механической энергии, противоположный по направлению горному давлению. Если газовое давление в трещине превысит горное давление, процесс
становится самоподдерживаю-щимся саморазвивающимся.
Трещина становится магистральной, ветвится и - получаем ГДЯ. Если газовое давление не превышает горного давления, трещина, так же, как и другие трещины, останавливается по законам, не связанным с газодинамикой. Генерация газа происходит только во время роста трещины. Но так как процесс разупрочнения протекает согласованно на всех масштабных уровнях, то даже если трещина и не ветвится, она в своих стенках организует образование мезодефектов, а те в свою очередь, в своих стенках, образование микродефектов. То есть в стенках перечисленных дефектов образуются собственные «зоны разупрочнения». Все дефекты соединены между собой, соединены с магистральной трещиной и через нее с горной выработкой и образуют очень «кучерявый» древовидный фрактал. Ствол «дерева» находится на мегауровне, ветви на макроуровне, тонкие ветви на мезоуровне, а веточки на микроуровне. А так как «дерево» не одно, а таких деревьев очень много, то и газа получается очень много. Газовый коллектор может быть значительных размеров в смысле суммарной протяженности дефектов всех уровней, заполненных газообразным метаном и сильно измельченным угольным веществом. Газ, образовавшийся во время скачкообразного мгновенного роста этих «зарослей», затем длительное время в режиме фильтрации выделяется в горную выработку.
Регистрируемые в горных выработках и скважинах количества свободного метана никогда не содержались в угольных пластах. Метан в угольных пластах генерируется растущими техногенными трещинами в результате твердофазной реакции разложения твердого углеводородного раствора (ТУВРа) под действием потока механической энергии критической плотности. Проницаемость угольных пластов появляется одновременно с появлением свободного газа или флюидов и обязательно при этом второго компонента твердого - су-
.. . гл~ V /
Ч'А\
щь-1- --4$'
<
X
X
Н
ш
о.
ь
Рис. 2
пермелонитов, а проще говоря, пыли. Рождение молекул метана происходит на микроуровне при скачкообразно появляющейся анизотропии атомарной проницаемости - одновременного разворота микродефектов, типа дислокаций, вдоль линий тока механической энергии, так называемого, горного давления (см. рис. 1). Супермилониты генерируются в стенках 1 растущей трещины путем отрыва микрочастиц угольного вещества 2, ограниченных дислокациями 3 в результате микровыбросов газа и угольного вещества 4 в трещину (см. рис. 2). При этом трещина забивается (заполняется) продуктами микровыбросов «бешеной мукой» и газа, восстанавливает таким образом утраченное механическое равновесие и ме-зовыброс прекращается.
Наличие супермилонитов в трещинах подтверждается специальными исследованиями содержимого трещин, например, фотографиями полученными группой Зверева И.В. (ИПКОН РАН) на электронном микроскопе. Это видно не вооруженным глазом на полированной поверхности минералов и горных пород. Когда будете в московском метро, обратите внимание на облицовоч-
ные плиты многочисленных колонн. Все они испещерены трещинами не зияющими, а «залеченными». Почему не зияющими, а «залеченными»? Объяснения типа, что это минеральные соли, выпавшие в осадок из растворов, по мнению автора - не состоятельны. Откуда взялись растворы, откуда они притекли? Как они так удачно затекли во все «щели»? Впрочем, растворы тоже могут быть, но только местного происхождения, так как трещины между собой соединяются не все. И в данном примере с «метро» может так все и было (автору без «мелкоскопических» исследований не известно). Растворы местного происхождения - это те флюиды, которые генерируются одновременно с супермилонита-ми непосредственно растущей трещиной. Например, известно, что на наковальнях Бриджмента таблетки из геоматериала не всегда взрываются, а бывает, что обводняются [11], т.е. вместо газа генерируется вода.
Известно, что на больших глубинах газовая проницаемость отсутствует полностью [12]. Все трещины, и тектонического происхождения (природные) и техногенные саморазрушения, залечиваются сразу же в момент сво-
его роста продуктами микровыбросов из стенок трещины. Это «лекарство» для трещин в угольном пласте, оказывается «ядом» для шахтеров, когда оно при помощи выемочной машины попадает в атмосферу горной выработки. То же самое и для породных забоев. Мелкодисперсная пыль лежит в массиве в «трещинах саморазрушения» и ждет, пока ее добудут (вскроют трещины). С углублением горных работ растет заболеваемость силикозом и пневмокониозом потому, что горные работы вторглись на глубины, где саморазрушение краевой части массива - норма (неизбежная объективная реальность). Почему угли марки А генерируют больше супермилонитов, чем угли других марок на тех же глубинах. Потому, что они крепче, прочнее. Имеют большую жесткость, следовательно, больший шаг саморазупрочнения (длину скачка роста трещины). Чтобы запустился механизм генерации супермилонитов, трещина должна быть определенной длины из соображений достаточности концентрации поля напряжений. Следовательно, антрациты генерируют («бросают»), а другие угли в этих же условиях еще не бросают. Нужны большие глубины. А пока не хватает плотности потока механической энергии. Не абсолютной величины горного давления, а не достаточно интенсивности (градиента горного давления по пространственным координатам).
С точки зрения физической мезомеханики других масштабных уровней, кроме мезоуровня, как бы не существует. А может создатели этого нового научного направления Панин В.Е. (ИФПМ СО РАН) и др. думают, что все макроэффекты в материаловедении создаются на мезоуровне. В случае с угольной «бешеной мукой» такое предположение подтверждается [13]. Во всяком случае, у нас геомехаников нет выбора, так как другой признанной науки, опирающейся на необходимые нам синергетику, теорию фракталов, теорию бифуркаций и использующей, как инструмент для исследований, клеточные автоматы - сегодня
нет. По этому ограничимся мезо-и микроуровнем. В стенках макротрещины образуется зона разупрочнения из мезодефектов, а в стенках мезодефекта образуется зона разупрочнения из микродефектов. Это процессовый фрактал (процесс, порождающий геометрические фракталы), который, в соответствии с перефразированным определением Бенуа Мандельброта, состоит из частей подобных в некотором роде друг другу и целому. Просьба не путать «процес-совый фрактал» с фрактально подобными процессами, у которых нет объединяющего их «целого». Например, техногенное трещинооб-разование и грозовой разряд.
Из-за фрактальности процесса придется повторить механизм ГДЯ, состоящий из трещин, в терминах мезо- и микродефектов. Может показаться, что в этой статье автор повторяет одно и тоже много раз. В действительности так оно и есть, но выше приводился механизм выброса угля и газа в выработку. А теперь идет разговор о выбросе супермилонитов и газа в трещину. Когда-нибудь в будущем, вместо этой статьи можно будет написать одно слово фрактал и всем будет все понятно, но сегодня в геомеханике таких представлений нет и автору приходится заниматься толкованием. На мезоуровне, древовидная система трещин (дендрит), проросшая из горной выработки, порождает мезодендрит, прорастающий из трещин. На микроуровне древовидная система мезодефектов, проросшая из трещин, порождает микродендрит, прорастающий из мезодефектов. Первичный (секущий) мезодефект, нормальный к стенке трещины, ветвится на мезодефекты расслоения. Первичный (секущий) микродефект, нормальный к
стенке мезодефекта, ветвится на микродефекты расслоения.
Все они, в свою очередь, могут переходить в режим обострения и генерировать газообразную и твердую компоненты. Соответственно, мезодефекты газ метан и «бешеную муку», а микродефекты - газ водород и углерод. В зависимости от плотности потока механической энергии через вещество и элементного состава исходного геовещества могут генерироваться углекислый газ, метан, водород, вода, нефть, другие химические соединения. При этом всегда, не зависимо от газожидкообразной компоненты (она может быть просто пустотой или вакуумом), генерируется твердообразная компонента, в данном случае второй компонент - супермило-ниты или углерод.
Механизм запуска, развития и остановки (прекращения) мезо-выброса в трещину подобен механизму выброса угля и газа в горную выработку, опубликованному автором более 60-ти раз [39], так как является частью этого процессового фрактала. Локальные области краевой части стенки трещины при выбросе одновременно находятся, аналогично твердому, жидкому и газообразному, в трех псевдоагрегатных состояниях: 1) «техногенно ненарушенный массив»; 2) «разупро-чненный массив»; 3) «газоугольный (газо-породный) поток». Отличие между ГДЯ на ме-га- и микро- уровнях в том, что стенка трещины, в отличии от забоя выработки, образуется мгновенно. Поэтому механическое равновесие системы нарушается более резко, поэтому в трещину происходит не один выброс, а одновременно несколько или много. При отсутствии достаточно сильного газовыделения и (или) достаточного объема пус-
тоты, твердая компонента, так же как и при макромегапроцессе, остается на месте своего образования в полости выброса (в трещине). Выемочный механизм высвобождает супер-милониты и они превращаются в витающую рудничную пыль. Вот отсюда и берется мелкодисперсная рудничная пыль, образование которой традиционно (ошибочно) объясняли трением частиц и кусков угля при отбойке и транспортировке.
Таким образом, для уменьшения силикозо- и пневмокониозо-опасности на больших глубинах бороться нужно не с пылью, как это принято в традиционной горной науке, а с техногенным тре-щинообразованием. Витающая пыль это аналог дыма, а область трещинообразования - аналог очага тления (горения). Необходимо следовать известному поведению пожарных, которые никогда с дымом не борются. Но наиболее перспективным представляется третий путь - не бороться вообще, а добывать пыль. Процесс саморазрушения краевой части горного массива нужно поставить на службу человеку. Доработать технологию «Вулкан» и добывать, например, метан и «бешенную муку» безшахтным и безлюдным способом (через скважины, пробуренные с дневной поверхности) при помощи управляемого выброса. Получая, при этом, экологически безопасное углеводородное топливо. Сто процентный метан использовать как заменитель природного газа, а из угольной пыли (второй компоненты продукта выброса) изготавливать жидкостноугольную суспензию (ЖУС) и сжигать ее в котлоагрегатах тепловой электростанции, расположенной здесь же рядом со скважиной.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Журнал "Физическая мезомеханика" - Сайт на сервере ИФПМ СО РАН - http://www.ispms.tsc.ги:8101/г^/ PhysMesomech/index.html.
2. Фролков Г.Д. и др. Состояние активации атомномолекулярной структуры органической массы углей ряда метаморфизма как фактор пневмокониозоопасности и критерии его оценки методом ЭПР спектроскопии. - Безопасность труда в промышленности. 1999, N 8. - с.27-29.
3. 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 ИП-КОН АН СССР, 1987, с.85-106.
4. Шестопалов А.В. О технологии добычи метана из угольных пластов. - Сб. Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины Ш5. Проблемы аэроло-
гии горнодобывающих предприятий. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999. - с.18-21.
5. Шестопалов А.В. Синергетика и механодинамика краевой части газонепроницаемого угольного пласта. -Горный информационно-аналитический бюллетень, 2000, N 8. - с.54-57.
6. Шестопалов А.В. О фрактальности механизма газо-выделения из угольного пласта на малых и больших глубинах. - Горный информационно-аналитический бюллетень,
2000, N 7. - с.198-202.
7. Шестопалов А.В. Псевдофазовые переходы в угольных пластах типа фазовых переходов в пленках и размерные эффекты. - Сб. Порядок, беспорядок и свойства оксидов. / Статьи и тезисы Международного симпозиума ООРО-2001 (27-29 сентября 2001г., г.Сочи, Лазаревское). - Ростов-на-Дону: РГУ, 2001. - с.364-375.
8. Шестопалов А.В. Спонтанное упорядочение дефектов в твердых углеводородных растворах. - Сб. Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах. / Статьи и тезисы Второго Международного симпозиума ОМА-П (24-26 сентября 2001г., г.Сочи, Лазаревское). - Ростов-на-Дону: РГУ,
2001. - с.382-393.
9. Шестопалов А.В. Конвективные ячейки и бифуркации
в краевой части горного массива сильно удаленной от исходного механического равновесия. - Сб. Применение симметрии и косимметрии в теории бифуркаций и фазовых переходов. / Тезисы докладов Международной школы-семинара SCDS-H (18-23 сентября 2001г., г.Сочи, Лазаревское). - Ростов-на-Дону: РГУ, 2o0l. - с.59-60.
10. Еникопян Н.С., /Мхитарян А.А., Карагезян А.С. Сверхбыстрые реакции разложения в твердых телах давлением. - Доклады АН СССР, 1986, т.288, N3, с.657-660.
11. ЯрославскийМ.А. Реологический взрыв. - М.: Наука, 1982, 193с.
12. 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.
13. Shestopa/ov A.V. Dissipative structures and fragmentation at macro- and megascale levels in the rockmass end part in depth. - In: Mesomechanics: foundations and applications. / Program & abstracts (International Workshop. March 26-28,
2001. Tomsk, Russia). - Tomsk, 1FPM SO RAN, 2001. - p.121-123.
КОРОТКО ОБ АBТOPАX
Шестопалов А.В. - ИПКОН РАН.
© C.H. Cмoлaнoв, 2002
УЛК 622.445
C.H. Cмoлaнoв
OCOБEHHOCТИ ПPOBEТPИBАHИЯ АBАPИЙHOГO УЧАСТКА ПРИ ОБШЕШАХШОМ PEBEPCИPOBА-HИИ
При ликвидации подземных пожаров общешахтное реверсирование вентиляционных струй может применяться как в период изоляции пожаров, так и в ходе их тушения. Для того чтобы горноспасатели смогли возвести перемычки со стороны исходящей струи, необходимо там создать приемлемые условия по газовым и температурным факторам путем реверсирования вентиляционной струи. В ходе тушения пожара этот режим может применяться, например, для подачи продуктов горения к очагу пожара.
Рассмотрим в общем виде условия формирования аварийного режима проветривания участка шахты на упрощенной модели вентиляционной сети (рис. 1а), в которой напорная характеристика участка
(выработки или группы выработок) формируется с учетом закономерностей воздухораспре-деления в параллельно- последовательных соединениях [1].
Учитывая, что на современные ШВС работает, как правило, несколько ВГП, каждый из которых имеет свою «зону» влияния, опишем «переход» от аэродинамической характеристики условного вентилятора главного проветривания к напорной характеристике участка с помощью эквивалентных сопротивлений. Тогда, величина эквивалентного сопротивления ветви, моделирующей внешнюю сеть, расположенную последовательно с рассматриваемым участком, определится из выражения
X ^вгп - К
Rn =
q2n
(l)
где
^^ВГП - суммарная депрессия маршрута от поверхности до ВГП, в зону влияния которого входит рассматриваемый участок, Па; Ип - депрессия в
