Новая теория внезапных выбросов метана из угольных пластов

DOI: http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2018-4-140-59-60

И.Е. Колесниченко, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, зам. директора института, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова

Е.А. Колесниченко, д-р техн. наук, проф., Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова

В.Б. Артемьев, д-р техн. наук, зам. генерального директора директор по производственным операциям АО «СУЭК»

Актуальность

Внезапный выброс метана происходит в рабочую зону лавы или тупиковой подготовительной выработки шахты.

Несмотря на установленные опытом такие предупредительные признаки, как горные удары в массиве впереди забоя и резкие оседания кровли, выбросы продолжают происходить «внезапно». Опасность выбросов характеризуется большой кинетической энергией, непредсказуемой массой выбрасываемого угля и огромными объемами метана. Внезапные выбросы известны с 1834 г., а в Кузбассе на шахте первый выброс произошел в 1943 г. Однако изучение этого феномена продолжается. Практическая актуальость дальнейших исследований заключается в необходимости предотвращения газодинамических проявлений на отнесенных к опасным участкам угольных пластах. Научная актуальность заключается в обосновании природных процессов неравномерного скопления метана в угольных пластах.

Применяемые методы исследования определяют достоверность полученных результатов. Первые гипотезы, начиная с 1910 г. были предложены на основе обработки фактографического материала в местах произошедших выбросов. Целостное представление о выбросоопасности угольных пластов складывалось в результате мысленного наделения угольного вещества различными свойствами и исследования виртуальных объектов при моделировании. Однако не была учтена реальная химическая структура органического вещества и физико-химические процессы при торфонакоплении и углефикации.

Методы исследования внезапных выбросов метана Основоположниками изучения внезапных выбросов, определившими направления исследований в России, являются Н.Н. Черницын, Л.Н. Быков (МакНИИ), А.А. Скочинский, В.В. Ходот, А.Э. Петросян, Б.М. Иванов, И.М. Петухов, А.Т. Айруни и др. В 1978 г. были выработаны основные положения теории внезапных выбросов угля, породы и газа.

Собственно, теория – это не окончательные научно обоснованные результаты. Это только форма организации полученных ранее знаний, дающих общее представление об объекте. Теория включала предложенную В.В. Ходотом энергетическую гипотезу внезапных выбросов угля и газа [1, 2].

Ответственными за выброс были приняты газ, горное давление и физикомеханические свойства угля. Эти свойства характеризуют механическую прочность угля при дроблении и сопротивлении одноосному сжатию. А.Э. Петросян, Б.М. Иванов и В.Г. Крупеня дополнили энергетическую концепцию волной дробления С.А. Христиановича.

Продолжающиеся внезапные выбросы метана на шахтах заставили И.М. Петухова и А.М. Линькова предложить энергетическисиловую теорию их реализации [3].

Предложенные теории не отражали реальные процессы в метаноносных угольных пластах. Угольный пласт представляли в виде однородного материала, имеющего постоянные структурно-механические свойства: прочность, упругость, пластичность, трещиноватость. Разрушения пласта при внезапном выбросе изучались методами механики сплошных сред.

Методы механохимии, термодинамики были применены при моделировании трещинообразования в виртуальном угольном веществе. Математики характеризуют угольное вещество как «угольную матрицу». Методы общей химии использовали для изучения сорбционных свойств образцов угля [4]. В последние годы методами рентгеноструктурного анализа исследовалось наличие химических элементов в угольном веществе. Наиболее весомый вклад в изучение структуры угольного вещества был сделан А.Т. Айруни. На электронном микроскопе была изучена надмолекулярная структура угля и доказано содержание плотных упаковок макромолекул в виде блоков и глобул.

Полученные результаты исследования внесли свой вклад в изучение внезапных выбросов. Однако в результате внезапный выброс так и остался как случайное проявление неблагоприятных факторов.

Обсуждение предлагаемой концепции

Авторы предлагают концепцию электронно-волновой теории внезапных выбросов метана. Новизна заключается в том, что источником всех физико-химических процессов является электронно-волновая активация тепловой энергии в изолированном от атмосферного воздуха угольном пласте на стадии углефикации.

Основным принципом концепции является молекулярная структура органической части угольного вещества. Макромолекулы включают различные химические атомы, в том числе горючие водорода и углерода.

Идея заключается в том, что для внезапного выброса метана нужны два условия. Во-первых, нужно много материала, т.е. атомов углерода и водорода. Во-вторых, нужна тепловая энергия для отделения этих атомов от макромолекул органического вещества.

Первое условие может реализоваться в пределах локальных участков. Авторами установлено [5, 6], что в угольных слоях щелочного коллоидного генезиса боковые группы макромолекул формируются из неразрушенных частиц жиров и воска. Спиральная форма макромолекул щелочного генезиса и длинные боковые группы образуют неплотную и хаотичную упаковку макромолекул в агрегатах.

Межмолекулярными и межагрегатными связями обладают водородные и вандерваальсовые. Вещество щелочного генезиса имеет высокую молекулярную и межмолекулярную пористость и низкую механическую прочность. В кислых условиях большое количество жиров и воска разрушается и выносится водой. Поэтому условия для образования аномального образования метана могут быть в основном в угольных слоях щелочного генезиса.

Вторым условием является наличие тепловой энергии для выполнения эндотермических процессов. В условиях изолированного пласта такая энергия есть. Ее источниками являются все атомы вещества. Торфяник, а затем и угольный пласт уплотняются под давлением вышележащих породных слоев. Образовавшаяся жесткая надмолекулярная структура находится под давлением. Все атомы вещества подчиняются квантовым законам. В соответствии с законами квантовой электродинамики они испускают электромагнитные волны в виде фотонов. При сжатии атомов энергия испускаемых фотонов увеличивается. При воздействии этой энергии на энергетические связи других атомов может происходить их отщепление от молекулы с последующим образованием газовых молекул, в том числе и метана.

Процесс образования метана при фотонно-активирующем разложении боковых групп макромолекул угольного вещества

Атом обладает потенциальной энергией. Электроны имеют энергетическую связь с ядром и располагаются на разных энергетических уровнях. Они с удаленной орбиты постоянно перескакивают на близлежащую и испускают при этом электромагнитное излучение (фотоны) в виде кванта тепловой энергии. Электрон, находящийся на близлежащей орбите от ядра, получает кванты энергии от других электронов и перескакивает снова на удаленную орбиту в зависимости от энергии полученного фотона. При этом выполняется закон сохранения энергии.

Движущим фактором всех физико-химических процессов является постепенное увеличение стратиграфической глубины расположения пласта и соответственно горного давления. Происходит сжатие электронных орбиталей.

Энергия испускаемых электронами фотонов увеличивается. Повышается общая температура в пласте. Увеличение тепловой энергии запускает эндотермические процессы в макромолекулах. Затем происходит образование молекул газа с выделением дополнительной энергии. Это процесс так называемого метаморфизма с обуглероживанием или ароматизацией угольного вещества, так как происходит обрыв боковых групп от фрагментов лигнина, состоящего из жестких бензольных колец. Образовавшиеся молекулы газа сохраняются на своих местах в межмолекулярном или межблочном пространстве.

Механизм зарождения и реализации внезапного выброса метана из пласта

В локальных зонах щелочного генезиса концентрация боковых групп у макромолекул больше, чем на участках пласта с кислотным генезисом вещества. При обычных условиях природная метаноносность выше по сравнению с зонами кислотного генезиса. Внезапные выбросы метана происходят при разработке пластов марок угля ГЖ, Ж, К, ОС.

Природные условия для внезапного выброса метана создаются при аномальном повышении горного давления на макромолекулы угольного вещества. Такое давление, которое превышает в 6–8 раз нормальное, образуется впереди очистного или подготовительного забоя выработки. Резко возрастает активация сжимаемых макромолекул и атомов, увеличивается энергия испускаемых фотонов. Они распространяются со скоростью света. Происходит разрушение макромолекул и образование молекул газа. Повышается давление метана, разрываются химические связи между блоками.

Разрушение молекул сопровождается дополнительным увеличением горного давления. Обычно участок щелочного генезиса имеет ограниченный изолированный объем, в котором происходит повышение давления метана. При уменьшении расстояния между этим объемом и забоем пласта происходит разрушение пробки и почти мгновенное истечение метана с разрушенным углем в выработку. В пласте остается полость, параметры которой соответствуют фации щелочного генезиса. Обычное расстояние от забоя до образующихся полостей после выброса составляет 6–8 м.

Иногда происходит отрыв и отжим от угольных блоков длиной 10–20 м.

Вывод

Все физико-химические процессы углефикации и метаморфизма в угольных пластах реализуются в результате теплового излучения атомами органического вещества под воздействием увеличивающегося горного давления. Внезапные выбросы метана происходят из слоев угольного пласта на участках щелочного генезиса. Большая концентрация боковых групп в макромолекулах обеспечивает атомами водорода и углерода образование метана под большим давлением.

Внезапный выброс реализуется в локальных местах аномального увеличения горного давления и увеличения тепловыделения сжимаемыми атомами угольного вещества.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:

1. Ходот В.В. Внезапные выбросы угля и газа. М.: ГНТИ, 1961. 363 с.

2. Фейт Г.Н. Предельное напряженное состояние и процессы разрушения трещиноватых газоносных угольных пластов / Г.Н. Фейт, О.Н. Малинникова // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: Материалы XXII Международ. научн. школы им. акад. С.А. Христиановича. Крым, Алушта, 17–23 сентября 2012 г. Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2012. С. 335–337.

3. Петухов, И.М. Теоретические основы борьбы с выбросами угля, породы и газа / И.М. Петухов, А.М. Линьков // Уголь. 1975. 9. С. 9–15.

4. Эттингер И.Л., Шульман Н.В. Распределение метана в порах ископаемых углей. М.: Наука, 1975. 112 с.

5. Колесниченко, Е.А. / Внезапные выбросы метана: теоретические основы / Е.А. Колесниченко, В.Б. Артемьев, И.Е. Колесниченко. М.: Изд-во «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2013. 232 с. (библиотека горного инженера. Т.9. «Рудничная аэрология ». Кн. 6).

6. Колесниченко, И.Е., Артемьев В.Б., Колесниченко Е.А., Черечукин В.Г., Любомищенко Е.И. Электромагнитный принцип распространения тепловой энергии при взрыве метана и пыли в шахтной атмосфере // Горная промышленность. 2018. 3. С. 72–75.

Ключевые слова: внезапный выброс, атомы, электромагнитные волны, фотон, метан, электроны, энергетические уровни, передача тепловой энергии, электронные орбитали, физико-химические процессы, метаморфизм

Журнал "Горная Промышленность" №4 (140) 2018, стр.59