CC BY
30
К 70-летию КАФЕДРЫ
«аэрология : и . охрана : труда» а .
^ А.В. Шестопалов, 2000
УДК 622.272:622.831.325.3
А.В. Шестопалов
СИНЕРГЕТИКА И МЕХАНОДИНАМИКА КРАЕВОЙ ЧАСТИ ГАЗОНЕПРОНИЦАЕМОГО УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
і
Н а протяжении всего ХХ века традиционной горной науке было известно о внезапном выбросе угля, породы и газа и других динамических (ДЯ) и
газодинамических явлениях (ГДЯ). На тему ДЯ и ГДЯ написано огромное количество публикаций, но при знакомстве с ними, у автора раньше возникало ощущение, а в настоящее время - это уверенность в том, что содержание не соответствует названию, что все они не о том, т.е. не о ДЯ и ГДЯ. Все, что пишут и говорят представители традиционной горной науки о газовых свойствах угольного вещества на больших глубинах, по мнению автора, имеет отношение к образцам угля в лаборатории или к угольным пластам, залегающим на глубине, где нет ни каких ДЯ и ГДЯ, т.е., образно говоря, к углю в противогазе. Это произошло из-за того, что горная наука, в области указанных явлений, игнорировала появление синергетики и продолжает игнорировать ее в настоящее время.
Мы видим в процессе саморазрушения краевой части горного массива и газовыделении при этом, ничто иное, как разложение угольного вещества под действием горного давления. А фазовые переходы - это типичная задача синергетики. Занимаясь этими вопросами около 20 лет и используя синергетический подход, мы пришли к упомянутому выше выводу, что великим заблуждением уходящего столетия является практически все сказанное и написанное в горной науке о краевой части горного массива на глубинах, где становится
возможным ее саморазрушение. Мы не имеем ввиду отдельные публикации других авторов, не совпадающие с общепринятым мнением, например о том, что угольные пласты газонепроницаемы ниже зоны газового выветривания [1] и др., нетипичное для традиционной горной науки.
Синергетика - это наука о самоорганизации материи, в том числе и неживой. Нам приходилось слышать толкование термина "синергетика" в очень широком диапазоне, с чем мы, в общем-то, согласны, просьба только не путать с религиозным термином "синергия". Хотя синергетика, в определенной степени, - это вера. Вера, конечно, не в бога, а во что-то другое, скорее всего в единство и гармонию окружающего нас мира. Для автора этой публикации синергетика ассоциируется, например, с верой в то, что: число элементарных
проявлений в природе есть конечное число (например, для 4-х мерного пространства - 7); все вещества
являются активными средами, а самопроизвольные процессы в них являются переходными и имеют минимум два режима протекания; материя обязательно обладает двойственностью (дуальностью) свойств и многое другое. Синергетика - это наука, делающая открытия для других областей знаний. Например, "неравновесная термодинамика" - это открытие для термодинамики. Надеемся, что предлагаемая нами, последние 20 лет, "неравновесная механодинамика" [2-6], то же будет новым словом для геомеханики.
Синергетический подход - это междисциплинарный подход. Мы считаем, что исследователь из любой области знаний, имеет право и обязан дополнять синергетику учением о любом, ставшем ему известным, случае самоорганизации в природе. Не должно быть опасений, что кто-то скажет, что это не синергетика, что вы, мол, не знакомы с работами классиков. Отец синергетики Г. Хакен, например, не предполагал появления учения Брюссельской школы Л.И. Пригожина о диссипативных структурах. По нашему мнению синергетика - это компас в мире нашего незнания. С этим "компасом" нужно постоянно сверять результаты экспериментов или умозаключений по ним (научные выводы). На этот "компас" нужно смотреть, когда кажется, что "заблудился" в выборе направления дальнейших научных исследований. Синергетика - это, своего рода, каталог - набор типовых сценариев эволюции материи. Для
конструирования разрабатываемого механизма (рабочей гипотезы), неизвестного ранее явления, необходимо и достаточно всего лишь выбрать нужные фрагменты (типовые схемы эволюции материи).
Нам представляется
целесообразным дальнейший поиск по литературным источникам и накопление сведений из различных областей знаний о явлениях, аналогичных критическим (типа переходов "порядок-беспорядок") с последующей их проверкой на адекватность имеющимся в горной науке натурным наблюдениям. В рамках настоящей публикации, мы вынуждены ограничиться лишь кратким описанием небольшой части материала, который может быть использован для создания феноменологических основ
неравновесной механодинамики, в т.ч. теории управления ГДЯ. По нашему мнению, разрабатываемые нами, основы неравновесной механодинамики краевой части газонепроницаемых угольных пластов [2-6] одновременно являются новым разделом геомеханики и новым разделом синергетики. Понятие синергетического подхода у разных исследователей может быть различным. Мы считаем, что синергетический подход это мощный
ассоциативный метод исследования неизвестных (новых) явлений. 10 лет назад мы назвали его методом "междисциплинарных теоретических аналогий" [7] и второго такого мнения мы не встречаем по сегодняшний день.
Мы рассматриваем все аналогии, в том числе и неполные, т.е. мы не замыкаемся в рамках теории подобия. В использовании, в том числе неполных аналогий, заключено основное отличие нашего метода от широко известного метода аналогий, например, метода
электрогидродинамических аналогий (ЭГДА). Популярный лет 40 назад метод математических аналогий
метод ЭГДА, основан на том, что процессы различной природы описываются одними и теми же математическими уравнениями и, в частности, дифференциальными уравнениями Лапласа и Пуассона. В то время, наиболее удобным
средством реализации этого метода была электропроводящая среда. Известны другие полные аналогии, например, магнитная и тепловая. Все они основаны на использовании математических моделей, состоящих из одного единственного
гармонического уравнения указанного вида. Такие модели являются
простейшими среди двумерных и применимы при нахождении, исключительно, моно распределения по пространственным координатам напорной функции простого
стационарного процесса, например, распределения: только давления газа; или только давления жидкости,
фильтрующихся через пористую
среду; или только температуры в тепловом потоке.
Эти модели в традиционном виде естественно не применимы к
сложным нестационарным и нелинейным процессам, к таким
процессам, в которых выше
указанные потоки (процессы)
протекают одновременно и взаимодействуют между собой через среду обитания путем изменения ее свойств.
Если есть хоть малейшая
целесообразность, мы рассматриваем все мыслимые виды аналогий,
которые нам удается установить, в том числе "экзотические" которые никем никогда не рассматривались. Например, "алгоритмическая"
аналогия заключается в том, что алгоритм решения моделируемой задачи (механизм явления) может быть описан различными способами, в том числе и с помощью словесной формулировки или в виде укрупненной блок-схемы. Такие приемы используются при
недостаточной степени изученности явления. Укрупненные блок-схемы содержат, внутри своих отдельных блоков типа "решение",
традиционные блок-схемы. При этом алгоритм изображается в виде
последовательности укрупненных блоков, предписывающих
выполнение отдельных блок-схем, и связей между ними.
Алгоритмическая аналогия
оказалась полезной, например, при изучении неизвестного процесса
генерации газа угольным веществом в режиме выброса на основании известного процесса обрушения пород кровли. В результате получили
следующее. В первом случае, происходит разупрочнение массива и, появившиеся при этом, силы газового давления перемещают продукты разупрочнения в горную выработку. Во втором случае так же происходит разупрочнение пород кровли и, появившиеся при этом, силы веса разупрочненной массы перемещают продукты разупрочнения в горную выработку. Оба процесса являются сложными, каждый состоит из двух основных процессов, которые взаимодействуют между собой путем локального нелинейного (скачкообразного) изменения свойств горного массива. Природа возникающих сил (внутренних источников) в обоих
случаях различна, а алгоритмы одинаковые, т.е. описание в виде укрупненных блок-схем содержит одинаковые последовательности блоков и связей между ними. Отличие состоит только в поясняющих выполняемые действия информационных сообщениях, помещаемых внутри блоков.
При совсем малой степени изученности явления иногда не представляется возможным выделить алгоритм протекания исследуемого сложного процесса. Тогда
используется еще более формальный -феноменологический подход.
Феноменологическая аналогия
позволяет осуществить "мягкое" моделирование объекта исследования и сделать словесное описание явления
(феномена) на качественном уровне. Метод феноменологических аналогий использовался автором в 1981 году при создании макромодели (гипотезы) механизма выброса угля (породы) и газа, основанной на самоорганизации процесса саморазрушения краевой части массива. Она была получена путем сбора сведений из теорий достаточно изученных явлений иной, чем выброс угля и газа природы, например, из неравновесной термодинамики, теории катастроф Р. Тома и др. В результате адаптации этих сведений к системе "угольный пласт - выработка" на первый план вышли аспекты, которые раньше никто в горной науке не рассматривал, например, три псевдоагрегатных состояний твердого агрегатного состояния геоматериала В результате получилось
нетрадиционное решение [2-6], которое, наверное, настолько нетрадиционное, что и по сегодняшний день никем из горняков не воспринимается.
Нами установлено, что все ДЯ и ГДЯ имеют единый механизм, т.е. генетически связаны между собой. Следующим этапом должно стать создание некоторой общей теории эволюции, в т.ч. и этих явлений. Для этого мы используем теорию графов, теорию фрактальных множеств и
теорию катастроф Р. Тома, но все пока без явных успехов. Проблема эта не решена и в синергетике. Разработка универсальной классификации
критических явлений, что-то типа
периодической таблицы Д.И. Менделеева, ведется в различных областях знаний. В теории
автоволновых процессов (АВП), как и в горной науке, выделяют пока только типы наблюдаемых явлений.
Одни и те же структуры могут возникать в активных средах различной природы - биологических, физических и т.п. Из известных типов структур, наблюдаемых в однородной активной среде, нам подходят "стационар-ные во времени неоднородные распределения в пространстве - диссипативные структуры (ДС)". Для неживой природы выделяются три класса автоволновых (АВ) сред. В живой природе различают четыре группы таких сред. Нам подходит группа "сложные
многофазные АВ-среды в природе и технике, в которых неравновесность и переходные процессы поддерживаются
за счет энергии каких-либо источников, например, лазерного излучения или термохимических реакций". В нашем случае [2-6], за счет упругой энергии метана, "рождающегося" на острие растущей трещины.
Число физических, технических, химических и биологических объектов, в которых экспериментально наблюдались АВП, по мере развития фундаментальной науки не перестает возрастать. В некоторых литературных источниках одновременно
рассматривается более 35 явлений различной природы, в т.ч. следующие физические и технические объекты: 1) полимерная пленка; 2) кипящая пленка;
3) пленка на подложке; 4)
магнитокристаллическая пленка; 5) электронно-дырочная плазма; 6) сети связанных автогенераторов; 7) активная RC-линия; 8) распределенные электролюминисцентные преобразователи изображения; 9) оптически активные среды в интерферометрах; 10) лабораторная плазма газового разряда; 11)
сверхпроводящая проволока.
Подходы для изучения АВ-систем, в т.ч. и в горной науке, выглядят еще весьма не сформировавшимися. Качественная (феноменологическая) теория АВ-процессов только еще создается. Это вселяет надежду, что общим усилием многих дисциплин, на стыке наук, будет достигнута нужная формализация и систематизация
базисного набора эволюций диссипативных структур в сложных многофазных АВ-средах. Одной из которых является краевая часть горного массива или, в частности, угольного пласта на больших глубинах. Без этого инструмента (своеобразного языка общения) пока не представляется возможным удовлетворительное (более-менее понятное для горняков) описание механизма зарождения, развития и затухания автокаталитических свойств явления саморазрушения краевой части горного (угольного) газонепроницаемого массива на больших глубинах.
Неравновесная механодинамика, как наука еще не существует. Мы придумали это название по аналогии с неравновесной термодинамикой. По нашему мнению, на Земле известно пока только два объекта, пригодных для исследования этой наукой. Первый находится в лаборатории. Это известные случаи взрыва или обводнения солей
металлов и других невзрывчатых
веществ на алмазных наковальнях Бриджмента. Второй находится глубоко под землей. Это саморазрушение
краевой части горного (угольного) массива с выделением газов, флюидов и пыли. Ни первый, ни второй феномен традиционная наука объяснить не
может. Если по первому феномену этот факт официально признается [8], то по второму - продолжаются: попытки
объяснения (создания гипотез) на основе равновесной термодинамики. Не
признается факт [1], что на больших глубинах угольные пласты не
проницаемы для газа. Не признается, что процесс появления газа протекает со скоростью близкой к звуку. Не
признается, что метана выделяется на
порядок больше, чем может содержаться в угле и др.
В качестве рекламы синергетики и нашего метода приведем еще одну его иллюстрацию. Используя
синергетический подход и наш метод теоретических аналогий, был,
например, выяснен "спусковой" механизм запоздалых ГДЯ, так
называемый нами - "примесный" [7] механизм. Название "примесный" обусловлено поликомпонентностью угольного вещества (наличием
неоднородности по коэффициенту усадки его отдельностей).
Непосредственно идея и концепция влияния неоднородности угля, по коэффициенту усадки, на
самопроизвольное трещинообразование и увеличение проницаемости в зоне дегазации, была предложена В.М. Зотовым в 1986г. на научном семинаре в ИПКОН РАН по случаю предварительной защиты им кандидатской диссертации Там же, в выступлениях, концепция была развита В.В. Тутинасом до автокаталитической, т.е. была добавлена обратная положительная связь. Образовавшиеся трещины улучшают дегазацию, дегазация вызывает усадку, неоднородная усадка вызывает появление механических напряжений, а последние вызывают рост трещин. И опять как с начала, трещины улучшают дегазацию и т.д. Все это очень важно, т.к. было высказано впервые в истории горной науки.
Отправной точкой в цепи наших последующих логических заключений послужил случай, произошедший на борту французского научного судна "Жан Шарко", проводившего
исследовательский рейс в районе Азорских островов [9]. Глыбы обсидиана, накануне поднятые драгой с глубины около 3 км и пролежавшие некоторое время на палубе, начали врываться. Поднятые образцы - когда-то излившаяся из подводного вулкана магма, застывая испытывала огромное давление воды.
Образовавшаяся при этом порода хранила в себе большие внутренние напряжения. Однако только это одно обстоятельство не могло послужить причиной взрыва, так как тогда порода должна была разрушиться сразу же после поднятия ее на поверхность океана. Расплавленная магма до извержения содержала в растворенном виде вулканические газы, которые при остывании под давлением перешли в
абсорбированное состояние. После поднятия на палубу судна обсидиан некоторое время высыхал и дегазировался. При этом глыбы (образцы) из-за усадки должны были обязательно уменьшаться в объеме. Так как элементы структуры ("зерна") горных пород неоднородны по своим размерам, то при уменьшении их объема между ними должны были возникнуть напряжения. Последние, достигнув критической величины, вызвали прорастание трещины.
Далее все как в нашем "уН"-механизме [2-6] (название обусловлено природой энергии, вызывающей процесс). Упругая энергия, выделяемая в процессе прорастания трещины, скачкообразно переориентирует
микродефекты вдоль своих силовых линий. Дислокации, соединяясь, образуют каналы атомарной проницаемости и скачкообразно создают область (зону) анизотропии этой проницаемости. "Волна свойств", инициируемая потоком механической энергии в трещину, вызывает генерацию молекулярного газа (в случае с обсидианом, возможно водорода) из твердого атомарного раствора исходных компонентов. При этом скорость изменения во времени поведенческой переменной резко возрастает до взрывной и становится неизмеримо большой по сравнению с изменениями управляющих переменных. Это хорошо изученный в синергетике режим обострения. В теории катастроф Р. Тома это принцип максимального промедления. Сток к микродефектам абсорбированного газа происходит
"эстафетным" [3] механизмом в режиме резонанса. Существуют публикации других авторов, в которых этот механизм называется "неразрушаю-щим транспортом", а резонанс "протонным" [10].
Выделившийся в свободном виде водород расклинивает трещину и
продолжает ее дальнейший рост и ветвление. Новые трещины генерируют новые порции газа, а те в свою очередь порождают новые трещины. В результате появления в системе обратной положительной связи процесс спонтанного разложения твердофазного
1. 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.
2. 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.
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 ИПКОН АН СССР, 1987, с.85-106.
4. 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.
5. Шестопалов А.В., Мягков А.А. Феноменологическая макромодель механизма выброса угля и газа. - Сб. Геомеханика
поликомпонентного атомарного
раствора становится
саморазвивающимся, в данном примере в виде взрыва. Если в тексте заменить водород на метан, а обсидиан на уголь, то получится описание механизма "запоздалого" выброса угля, породы и газа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
выбросоопасных угольных пластов и аэрогазодинамика глубоких шахт. - М.: ротапринт ИПКОН AН СССР, 1988. - с.124-137.
6. Шестопалов А.В. Концепция геотехнологии промысловой добычи метана и угля исключительно за счет энергии природных сил. / Доклад па паучпом симпозиуме "Неделя горняка - 99". Семипар N 20 "Физико-химическая геотехнология" (25-29 января 1999г., МГГУ, г.Москва). - Горный информационно-аналитический бюллетень, 1999, N 2. - с. 154-159.
7. Шестопалов А.В., Шамаев В.В. Использование метода аналогий для развития теории газодинамических явлений. / Сб. Прогноз и предотвращение опасных газопроявлений при разработке угольных месторождений. - М.: ротапринт ИПКОН AН СССР, 1990. -с.46-59.
8. Еникопян Н.С., Мхитарян А.А., Карагезян А.С. Сверхбыстрые реакции разложения в твердых телах давлением. - Доклады AН СССР, 1986, т.286, N3. - с.657-660.
9. Взрывы в океане. - Наука и жизпь, 1971, N3. - с.38.
10. Лоскутников В.В., Шульман Н.В., Эттингер И.Л. Квантовомеханический подход к физической химии газоносных ископаемых углей. - Химия твердого топлива, 1987, N 1. - с.3-10.
