Теория электронно-волновой физики угольных пластов
И.Е. Колесниченко, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, заместитель директора – научный руководитель Шахтинского автодорожного института (филиала) Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова (ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова)
В.Б. Артемьев, д-р техн. наук, зам. генерального директора – директор по производственным операциям АО «СУЭК»
Е.А. Колесниченко, д-р техн. наук, проф., Шахтинский автодорожный институт (филиал) ЮРГПУ (НПИ)
В.Г. Черечукин, зам. гл. инженера, ФГУП «Военизированная горноспасательная часть» (ФГУП «ВГСЧ»)
Е.И. Любомищенко, канд. техн. наук, доц., Шахтинский автодорожный институт (филиал) ЮРГПУ (НПИ)
Актуальность
Угольный пласт является естественной природной системой, содержащей горючую органическую массу, которую используют в качестве энергетического сырья. В зависимости от стратиграфической глубины залегания пласта уголь добывают поверхностным или подземным способом. Особенностью многих угольных пластов является присутствие в них значительных запасов газа метана, который при выделении в подземные выработки может быть причиной взрывов и разрушений с большими экономическими потерями и человеческими жертвами. Несмотря на многолетние научные исследования угольных пластов, целостного представления о процессах формирования угольных пластов и образовании в них значительных масс метана нет.
Практическая актуальность дальнейших исследований заключается в необходимости совершенствовать способы обеспечения безопасных условий. Угледобывающие шахты в соответствии с Федеральным законом о промышленной безопасности продолжают относиться к опасным производственным объектам. Научной актуальностью является организация целостного представления о природных причинно-следственных связях и закономерностях торфонакопления, углефикации, образования метана и газодинамических процессов в угольных пластах.
В качестве исходных предпосылок приняты полученные многими исследователями, в том числе и авторами, первичные фактографические знания и гипотезы известных основоположников по исследуемой тематике.
Известные методы исследования угольных пластов
Основными задачами исследования угольных пластов было изучение закономерностей формирования угленосных формаций, определение энергетических характеристик угля, разработка гипотез газодинамических проявлений и взрывоопасных свойств метана и угольной пыли. В исследованиях применяли результаты шахтных наблюдений, методы механохимии и общей химии, абстрагирование свойств и признаков, виртуальное математическое моделирование и рентгеноструктурный анализ.
Авторы считают, что исследователи не учитывали того, что уголь – это конечный результат преобразования исходного высокомолекулярного органического материала, сохранившего на всех этапах физико-химических преобразований – от торфонакопления до метаморфизма – макромолекулярную структуру.
Экспериментальные и научные представления о пластах
Аксиомой предлагаемой теории является неизменность молекулярной структуры на всех этапах превращения исходного органического вещества в торфяниках до современного органического вещества в угольных пластах. Макромолекулы включают различные химические атомы, в том числе горючие водорода и углерода. Торфяник после перекрытия породными пластами стал изолированным от атмосферы телом, в котором источником тепловой энергии всех последующих физико-химических процессов остаются атомы молекулярных структур торфяника, постоянно испускающие электромагнитные тепловые волны (фотоны).
Первым представлением о молекулярной структуре метаморфизованного угля можно считать формулу Д.И. Менделеева (1897 г.), в которой расчёт высшей теплоты сгорания производится по массовой концентрации химических элементов углерода С, водорода Н, серы S и кислорода О. Г.А. Ивановым установлены закономерности формирования торфяника и влияния геотектонических ритмов, аэробных и анаэробных условий на образование петрографических типов угля [1]. Им установлены качественные изменения свойств торфяника на различных участках по мощности слоёв и расстоянию от береговой линии.
В.Е. Ханин обосновал образование различных фаций в пластах, которые являются «отражением физико-географических и геотектонических условий осадка и предыстории его компонентов в составе и других признаках возникшей из этого осадка и наблюдаемой горной породы» [2].
Российскими петрографами М.Д. Залесским [3], И.Э. Вальцем [4] и др. установлено, что в период торфонакопления протекали два основных первичных процесса превращения материнского вещества углей: при максимуме обводнённости торфяника – процесс гелификации, при минимуме обводнённости – процесс фюзенизации. Особенно важным результатом является обоснование условий образования сажистого мягкого малозольного выбросоопасного угольного вещества. Как показала практика, такие слои сажистого угля в настоящее время являются опасными по внезапным выбросам метана.
Таким образом, научным достижением Д.И. Менделеева, Г.А. Иванова, В.Е. Ханина, М.Д. Залесского, И.Э. Вальца и др. является обоснование природного химического состава и геологических закономерностей формирования угольного месторождения.
Процессы преобразования в угольном пласте можно представить на следующей схеме (рис. 1). Геотектонические условия образования – это растительность и достаточный уровень поверхностных вод в границах площади торфяника. После консервации его химический состав сохраняется. Отличительными свойствами условий отложения торфяника является разная степень восстановленности органической массы, обусловленная неодинаковым окислительно-восстановительным потенциалом Eh и кислотно-щелочным показателем pH водной среды. Как считают Ю.Н. Малышев с соавторами [5] и авторы статьи [6], на последнем этапе метаморфизма восстановленные в локальных объёмах угли обладают химической структурой, способной к образованию повышенной метаноносности. Такие участки могут быть опасными по внезапным выбросам метана.
Работы по обеспечению безопасных условий при разработке метаноносных угольных пластов начались с изучения сложившейся структуры, энергетического состояния и физикомеханических свойств метаморфизованного угля (рис. 1).
Первые гипотезы авторами принимались на основании шахтных наблюдений и абстрагирования процессов. В 1910 г. Stassart и Lemair посчитали, что внезапные выбросы на шахтах Бельгии приурочены к местам геологических нарушений, а причиной их являются повышенные остаточные напряжения тектонического происхождения или препарация угольных пластов. J. Jicinsky, M. Morin, F.C. Cornet и M. Jarlier предположили, что причиной внезапных выбросов метана является концентрация напряжений вокруг горных выработок. Однако авторами влияние метаноносности пласта не рассматривалось. Впоследствии Л.Н. Быков (МакНИИ) предположил, что в пластах имеются очаги ячеистых трещин, заполненных метаном, а F.C. Cornet сделал вывод, что метан в некоторых очагах на большой глубине находится в твердом состоянии, т.е. в виде кристаллогидратов. В настоящее время исследования кристаллогидратов продолжаются.
Происходящие на шахтах внезапные выбросы метана определили основные направления их теоретического обобщения. В 1952 г. В.В. Ходотом представлена энергетическая теория внезапных выбросов угля и газа [6]. По этой теории выбросоопасность зависит от давления газа в пласте, горного давления и физико-механических свойств угля. Выбросоопасность проявляется в непрочных перемятых пачках в угольном пласте, образование которых было обосновано М.Д. Залесским и И.Э. Вальцем. Другие авторы также обосновывали опасность по выбросам метана на участках с перемятым углём. Вместе с тем исследователи не определяли физические или химические процессы образования таких слоёв в пластах. Было подтверждено предположение J. Jicinsky, M. Morin, что горное давление на угольный пласт значительно увеличивается вокруг выработок.
А.Э. Петросян, Б.М. Иванов и В.Г. Крупеня энергетическую концепцию дополнили волной дробления С.А. Христиановича. Основной опасностью является образование трещин в призабойной части газоносного пласта под воздействием горного давления и большая десорбирующая способность угля. Однако без изучения закономерностей образования метана в угле неизвестно, что обозначает его десорбция.
И.М. Петухов и А.М. Линьков для решения проблемы выбросоопасности предложили единую энергетически-силовую теорию, по которой основным фактором принято опорное давление вышележащих пород. Оно влияет на газопроницаемость призабойной части пласта и на газовое давление в ней. Однако вопросы образования природной метаноносности и газопроницаемости не рассматривались.
Практика показала, что эти теории дают абстрактное описание признаков угольных пластов и не обосновывают механизм инициирования внезапных выбросов. В настоящее время многие исследователи продолжают изучать закономерности образования и формы нахождения метана в пласте перед внезапным выбросом.
Анализ известных теоретических представлений о внезапных выбросах показал, что полученные результаты не позволяют прогнозировать местонахождение выбросоопасных участков в угольных пластах. Не обоснованы закономерности образования аномального давления метана в пласте и реализации газодинамических проявлений. Это объясняется тем, что угольный пласт рассматривался как однородный материал, не учитывается генезис его образования, разнообразие петрографического состава. И, самое главное, не был исследован источник энергии для реализации в изолированном теле пласта всех процессов превращения торфа в метаморфизованный уголь.
Обсуждение основных положений предлагаемой теории
Теория электронно-волновой физики угольных пластов является научной областью квантовой механики и даёт целостное представление о физических закономерностях образования и переноса тепловой энергии, как основы физико-химических процессов при торфонакоплении, углеобразовании и метаморфизме угольных пластов. Аксиомой теории является наличие и распространение внутренней энергии тела путём излучения электромагнитных волн (фотонов).
Основными химическими компонентами отмёрших растений в торфянике были твёрдые фрагменты, содержащие макромолекулы целлюлозы (50–70%), лигнина (30%), жиров и воска. Химическая формула лигнина – [С50Н49О11], целлюлозы – [С6Н10О5]n. Молекулярная масса целлюлозы от 80 000 до 150 000 г/моль. Лигнин состоит из карбоксильных (СООН), метоксильных (ОСН3)2 и гидроксильных (ОН) групп. Все эти химические элементы становились в торфянике источниками образования метана и других газов.
Внутренняя тепловая энергия физико-химических процессов в пласте
В соответствии с принципом Паули (1925 г.) все химические элементы имеют электронную структуру. Атом состоит из атомной оболочки и электронов, обращающихся на круговых орбиталях. Электроны на орбитали 1s находятся на самом нижнем уровне ближе к ядру. Орбитали 2s и 2p являются главными, а на диффузной линии расположены орбитали 3s, 3p, 3d. Молекулы и атомы обладают потенциальной и кинетической энергией. Потенциальная энергия сосредоточена в протоне атома. Кинетическая энергия определяется подвижностью атомов. Атомы и молекулы находятся постоянно в движении [7]. В молекулах атомы объединяются связующими орбиталями, на которых электроны также находятся в нормальном состоянии на низком метастабильном энергетическом уровне. Атомы поглощают и испускают тепловую энергию в виде фотонов.
Фотон – это квант электромагнитного излучения энергии, испускаемой электроном. При поглощении атомом фотона внешние электроны перескакивают на верхние более скоростные уровни орбиталей (2-й постулат Н. Бора), тем самым увеличивая размеры атомов и молекул. Фотон должен обладать определённым количеством энергии, равной разности между энергиями
Е2 – Е1 = h · ν ,
где h – постоянная Планка (6,626x10–34 Дж·с); ν – частота электромагнитного излучения, Е1, Е2 – соответственно энергия на нижней и на верхней орбиталях. Эта энергия фотона равна
Е = е1 · n ,
где е1 – энергия элементарного кванта; n – количество квантов в фотоне. Продолжительность пребывания атома в возбуждённом состоянии 10–8 с, а в метастабильном состоянии 10–3 с. На более низкий уровень электрон может перейти при соударении с другим электроном или при каскадном переходе с более высокого уровня. Основной особенностью является то, что на низкий уровень электроны перескакивают и при физическом сжатии орбиталей, увеличивая энергию испускаемых фотонов. Это собственно объясняет процесс образования метана при увеличении горного давления.
Фазовые превращения в системе торфонакопление – угольный пласт
Процесс изменения в отмёрших растениях начинался при поглощении их атомами фотонов от Солнца. Эти атомы испускали фотоны на другие атомы. Начался процесс дезагрегирования. Происходило отщепление атомов от макромолекул и образование газов. Атомы могли отрываться целыми группами, образуя молекулы СН3, Н2О и другие. При этом для разрыва электромагнитных связей между атомами Н – О, С – О, С – Н и С – С соответственно на 1 атом была необходима энергия 4,8 эВ, 3,74 эВ, 4,28 эВ и 3,61 эВ. Интенсивность процессов разложения зависела от аэробных или анаэробных условий, которые наступали при изменении уровня грунтовых вод в периоды трансгрессивного или регрессивного перемещения береговой линии водоёма. Расчёты показали, что в период торфообразования межмолекулярная пористость в среде кислого генезиса 14,2%, а щелочного генезиса – 25,4% [8]. В анаэробных условиях процесс отщепления продолжался в результате теплового излучения атомами торфяника. По площади и по мощности его распространения формировались будущие параметры пласта: структурно-вещественный состав, текстура, ингредиенты, микрокомпоненты, минеральные примеси. Образовывались породные прослойки, расщепления и бифуркации слоёв. Закладывались условия для образования различной метаноносности пласта.
Перед перекрытием наносами торфяник сохранял форму пласта, так как происходило увеличение жёсткости и плотности биомассы. С началом погружения торфяника увеличивались мощность и давление вышележащих пластов. В биомассе торфяника происходили превращения, называемые стадиями диагенеза и катагенеза. Все изменения в макромолекулярной структуре органического вещества происходили при увеличении испускаемой атомами энергии и, соответственно, увеличении температуры торфяника. При стабилизации горного давления на пласт энергия фотонов и температура снижаются, но из-за постоянного испускания электромагнитных излучений температура пласта всегда положительная.
Стадия метаморфизма характеризуется сильным обуглероживанием содержимого пласта. По технологической характеристике этому этапу соответствуют различные марки угля от длиннопламенного до антрацита.
Метаноносность и выбросоопасность угольных пластов
Первое условие образования природной метаноносности – это массовое содержание атомов в боковых группах макромолекул. Как показали исследования авторов [8], повышенная метаноносность сформировалась в витринитовых фациях с щелочной средой. Вторым условием является наличие внутренней энергии, испускаемой атомами [9]. Реальность этих условий подтверждена в результате исследований авторами внезапных выбросов метана на шахтах Воркутского месторождения. При нанесении на геологическую карту месторождения оказалось, что все 267 выбросов произошли из мягких слоёв в местах расщепления более прочных слоёв угля (рис. 2). Общим признаком их была локальность и приуроченность к участкам щелочного генезиса. Условия реализации внезапных выбросов метана представлены в статье [9], а описание электромагнитного принципа распространения тепловой энергии при взрыве метана в статье [10].
Выводы
1. Теория электронно-волновой физики угольных пластов отражает закономерности изменения макромолекулярных структур органических веществ под воздействием внутренней энергии.
2. Теория позволяет системно рассматривать физико-химические и горно-геологические процессы при изучении закономерностей формирования метаноносности и образования аномальных концентраций метана в угольных пластах.
3. Полученные закономерности позволяют решать проблему внезапных выбросов в результате идентификации, а не прогнозирования участков в пластах с высокой метаноносностью.
4. Теория электронно-волновой физики открывает перспективы для развития новых методов предотвращения внезапных выбросов и взрывов метана в горных выработках.
