Основы квантовой теории образования в угольных пластах и дегазации метана

DOI: http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2019-2-144-47-50

И.Е. Колесниченко, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, зам. директора института 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»

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

Е.И. Любомищенко, канд. техн. наук, доцент Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова

Актуальность. В последние годы значительно уменьшилось число катастрофических аварий из-за отсутствия знаний о природных процессах в угольных пластах. Однако внезапные выбросы метана с силовым разрушением выработок и людскими потерями продолжают происходить на шахтах России и за рубежом. Из-за отсутствия надежных способов метанобезопасности были закрыты многие шахты. Применение высокопроизводительного очистного и проходческого оборудования должно быть обеспечено надежными способами предотвращения внезапных выбросов и интенсивных выделений метана.

Авторы считают, что в современных условиях метаноносность и выбросоопасность необходимо изучать с позиций квантовой механики, основой которой являются фундаментальные электронно-волновые законы образования и переноса внутренней тепловой энергии в молекулярных структурах природных объектов.

Идея заключается в том, что все физико-химические процессы углефикации и метаморфизма происходили за счет внутренней энергии молекулярной структуры исходного материала. Образование метана в свободной форме, пористость, проницаемость можно определить, используя закономерности квантовой физики. Увеличение горного давления и искусственное облучение угольного пласта электромагнитными волнами соответствующей частоты и энергии приводят к созданию условий для эффективной дегазации. Количество метана в свободном состоянии в пласте зависит от концентрации химических элементов углерода и водорода и закономерностей увеличения горного давления налегающим массивом горных пород [1, 2].

Обсуждение предлагаемой концепции

Краткий анализ изученности проблемы. Первое научное представление о молекулярной структуре метаморфизованного угля было сделано в 1897 г. русским ученым Д.И. Менделеевым, который выделил химические элементы углерода С, водорода Н, серы S и кислорода О в качестве основных для расчета энергетической характеристики пласта. Массовую концентрацию этих элементов определяют на шахтах в результате технического и элементного анализа. Однако исследователи, изучая внезапные выбросы, не связывали их с химико-технологическими свойствами пластов. Во Франции в 1919 г. Stassart и Lemair факторами опасности выбросов определили места повышенных тектонических напряжений и геологических нарушений. В России в 1917 г. Н.Н. Черницын предположил, что выбросы происходят в местах скопления газа с повышенным давлением. Л.Н. Быков (МакНИИ, 1932) предложил гипотезу, что в пластах имеются специфические очаги, состоящие из системы ячеистых трещин, заполненных газом. Эти очаги образуются под влиянием тектонических сил.

Параллельно другие ученые исследовали угольные пласты. Ю.А. Жемчужников (1935), В.Е. Ханин (1950), Г.А. Иванов (1967), исследуя первичные и диагенетические изменения микро-структуры растительного материала на торфяной и буроугольной стадиях угольных пластов, доказали структуру и влияние фациальных условий на химическую характеристику угольного вещества. Однако эти результаты не были учтены при изучении выбросоопасности угольных пластов. На том уровне представлений о механизме газодинамических проявлений была разработана концепция методов прогнозирования и способов борьбы с внезапными выбросами метана и угольной пыли.

На этапе проектирования для прогноза выбросоопасности используются геологоразведочные данные. Во время эксплуатации к выбросоопасному относят пласт в пределах шахтного поля ниже произошедшего внезапного выброса угля и газа, или выбросоопасность которого установлена текущим прогнозом. Такой прогноз выполняется непрерывно по мере подвигания забоя выработки. Для безопасной разработки выбросоопасных угольных пластов выполняется комплекс защитных мероприятий. Как показывает статистика выбросов, эти способы прогноза не могут заранее идентифицировать локальные места с повышенной метаноносностью, а применяемые затратные мероприятия по борьбе с выбросами выполняются вслепую. Иногда внезапные выбросы происходят и во время выполнения этих мероприятий.

Анализ технической литературы показал, что ранее не были установлены химические закономерности появления молекул метана в угольном пласте. Не имея представления о структуре угольного вещества, виртуально исследовали пористость пласта, формы нахождения метана, сорбционную емкость, проницаемость. Однако опытные, эмпирические и математические методы исследования не позволили изучить закономерности локальных концентраций метана, механизма и энергетики внезапного выброса метана.

Российский ученый чл.-корр. АН СССР и РАН Г.И. Грицко пишет: «Следует с горечью констатировать, что эффективных методов прогноза и борьбы с внезапными выбросами метана в угольных шахтах пока нет. Нет и программ создания новых научных основ для познания и предотвращения этих явлений. А безопасность добычи угля нужна здесь и сейчас» [3].

Рис. 1 Забой штрека сложного по строению пласта «Мощный», где А – слой угля, из которого происхо- дили внезапные выбросы; В – верхний и нижний неопасные слои угля, из которых выделялся метан обыкновенным способом

Рис. 1 Забой штрека сложного по строению пласта «Мощный», где А – слой угля, из которого происходили внезапные выбросы; В – верхний и нижний неопасные слои угля, из которых выделялся метан обыкновенным способом

Авторами статьи были опубликованы работы, в которых обоснована генетическая теория формирования в угольных пластах фациальных локальных зон, опасных по внезапным выбросам метана [4]. Эти зоны можно определить по геологическим факторам. Основой теории является макромолекулярная структура органической части угольных пластов. Методом исследования структуры угольного пласта должен быть физико-химический, но не математическое моделирование. Чтобы представить себе структуру угольного пласта, необходимо посмотреть на него в забое выработки. На рис. 1 показан забой сложного пласта «Мощный». Выбросоопасный слой в средине пласта отличается по цвету и прочности, имеет рыхлую структуру. В местах замера среднее выделение метана из выбросоопасного слоя было 34,3 м3/т, а из неопасных слоев – 7,8 м3/т. В выработку среднее выделение при разрушении угля по пласту составило 12,9 м3/т. Из таких слоев на шахтах Воркутского месторождения произошло 267 внезапных выбросов с различными объемами метана.

Рис. 2 Фото увеличенных фрагментов угля из пласта «Мощный», где 1 – из выбросоопасного слоя, из которого происходили внезапные выбросы метана; 2 – из невыбросоопасного слоя пласта

Рис. 2 Фото увеличенных фрагментов угля из пласта «Мощный», где 1 – из выбросоопасного слоя, из которого происходили внезапные выбросы метана; 2 – из невыбросоопасного слоя пласта

Рис. 2 Фото увеличенных фрагментов угля из пласта «Мощный», где 1 – из выбросоопасного слоя, из которого происходили внезапные выбросы метана; 2 – из невыбросоопасного слоя пласта

Выбросоопасный слой отличается количеством и размерами пор. На рис. 2, 1 видно, что отдельные поры связаны между собой магистральными трещинами. Установлено, что проницаемость внутри локального участка может быть высокой. Выброс метана вместе с разрушенным углем происходит только из этого слоя. Характерным признаком выбросоопасной зоны является то, что она по краям ограничивается прочным непроницаемым барьером с высокой зольностью и глинистыми включениями. Поэтому метан не может фильтроваться за пределы этого участка до выброса, что является предпосылкой образования высокой концентрации и давления метана. Выполненные замеры показали задержки смещения кровли перед выбросом. Однако иногда в таких зонах происходят только микровыброс или повышенный дебит метана.

Исследования надмолекулярной организации угля с применением электронного микроскопа были выполнены А.Т. Айруни. На рис. 3 показана структура агрегатов молекул витринизированного угольного вещества средней степени метаморфизма. Видна конфигурация агрегатов, можно приблизительно определить размеры и взаимное их расположение. Упаковка агрегатов молекул плотная. Пористость угольного вещества небольшая.

Рис. 3 Фото надмолекулярной структуры частиц угольного вещества при увеличении в 198000 раз (по данным А.Т. Айруни, ИПКОН)

Рис. 3 Фото надмолекулярной структуры частиц угольного вещества при увеличении в 198000 раз (по данным А.Т. Айруни, ИПКОН)

И.И. Аммосов (1963) исследовал связь пористости с петрографическим составом углей. Были установлены два типа пор: замкнутые и открытые. В фюзене и ксилофюзене, т.е. в оставшихся ячейках клеток ткани растений, преобладают замкнутые поры объемом до 20%. Процентное содержание открытых пор в исследуемых пробах колебалось от 0 до 9,9%. Больше всего открытых пор содержится в витрене. В отдельных прослойках витрена пористость достигает 15%, в среднем 9–10%. В полублестящем полосчатом угле с большим количеством прослойковвитрена содержалось до 15% открытых пор.

Современные методы исследования. Выполненные ранее работы дали общее представление об угольных пластах и выбросоопасности. Рассмотрим несколько примеров направлений современных исследований. Продолжаются исследования фазовых превращений метана в угольной матрице. При этом рассматривается образование и разложение газовых гидратов в краевой зоне угольного пласта [5]. По нашему мнению, условия для формирования газовых гидратов при положительной температуре в краевой зоне угольного пласта нереальны. Исследования десорбции угля продолжаются на моделях.

А.Д. Алексеев и др. [6] исследования десорбции угля проводили на модели угля в виде сферических частиц радиусом R. Однако модель не адекватна структуре петрографических ингредиентов органического вещества (см. рис. 2). На такой модели можно получить и сорбционные зависимости. Затем было представлено [7], что уголь – это сложная иерархическая структура. В результате подтвердились известные идеи, что метан находится во всех порах, а частично и на их внутренних поверхностях.

Экспериментальными исследованиями элементного состава антрацита Т.А. Василенко и др. [8] подтвердили наличие горючих химических элементов, а на модели молекулы Фукса-Ван-Кревелена установили, что связь молекул метана с угольным веществом обусловлена ван-дер-ваальсовым взаимодействием. В работе Э.П. Фельдмана и др. [9] приведена сложная термодинамическая модель фильтрации метана в угольном пласте, который является каркасом для нахождения метана. Интересными являются предположения, что вмещающие породы передают пласту угля горное давление и этим поддерживают однородную температуру в пласте. Однако с положением, что уголь является хорошим растворителем для метана, а пласт является равновесной структурой и его следует описывать термодинамическим потенциалом Гиббса, согласиться нельзя [9]. Известно, что в течение всего геолого-исторического периода в пласте происходило постепенное разрушение органического материала и образование метана и других продуктов. Суждение о температуре тоже далеко от истины.

Способы дегазации пластов. Одним из основных и перспективных способов предотвращения внезапных выбросов является предварительная дегазация пласта. Для повышения эффективности дегазации предлагаются различные способы физического воздействия на пласт.

В настоящее время известны виброволновой и электромагнитный способы. Целью вибро-волнового воздействия является создание большой системы трещин в массиве за счет механодеструкции пласта. Считается, что вибрационные колебания должны оказывать эффективное воздействие на сорбированный метан. По результатам экспериментальных исследований сделано предположение, что выделение метана максимально активируется при частоте колебаний 30–40 Гц. Однако научного обоснования этого механизма нет, и энергия таких колебаний слишком мала для воздействия на пласт. Практическое применение такого способа маловероятно на пластах сложного строения, таких как показаны на рис. 1 и рис. 2, 2.

Более перспективным является способ электромагнитного воздействия на угольный пласт. Однако эффективность его зависит от выбранных параметров и объектов воздействия в пласте. Идея способа ускорения процесса дегазации предложена А.Д. Алексеевым и др. [10]. Цель применения заключается в активировании выхода метана, сорбированного в межслоевых промежутках в твердом растворе угля без его разрушения и дополнительного трещинообразования. Этого можно достичь методом резонансного воздействия на молекулы, внедренные в структуру угольного вещества, электромагнитным излучением частотой 7 МГц с длиной волны 15 м. Для обработки 1 т угольного пласта потребуется 16,7 ч. Методика расчета количества молекул метана в угле не учитывает известных результатов технического и элементного анализа угольных пластов. Исследуемая частота относится к радиоизлучению с длиной волны 42,6 м, а не 15 м. Непонятен физический, химический или энергетический механизм активации метана.

Исследования с применением электромагнитных волн в коротковолновом (КВ) и ультра-коротковолновом (УКВ) диапазонах выполнены В.А. Бобиным [11]. Целью применения способа является извлечение метана из неразгруженных угольных пластов. При этом для воздействия на суперсорбционные частицы угольного вещества необходимо применять электромагнитные волны частотой 2–25 МГц, на сорбционные частицы угля – частотой 0,7 МГц, для воздействия на макропоры угля – частотой 10 МГц, на мезопоры – частотой 1 ГГц и на микропоры – частотой 88 ГГц. Автор считает, что сорбированный углем метан из состояния твердого угольного раствора перейдет в свободное состояние. Вопервых, что такое сорбционные частицы угля? Во-вторых, предполагается, что весь метан находится в сорбированном состоянии. Возможно принцип действия электромагнитных волн на угольный пласт другой. Расчеты показали, что энергия электро-магнитного излучения частотой 88 ГГц равна 0,035 кДж/моль. Для разрушения слабых ван-дер-ваальсовых связей необходимо от 8 до 20 кДж/моль.

Рекомендуя способ электромагнитного воздействия, необходимо знать, на что он может влиять, и что происходит в угольном пласте. Исследуя пласты как виртуальные объекты, исследователи представляют их в виде сложной иерархической структуры. Однако в таких объектах методами математического моделирования, термодинамики, геодинамики и даже молекулярно-кинетической теории невозможно определить формы содержания метана, пористость, газопроницаемость и др. Это, может быть, и не нужно, так как нет достоверных методов определения природной метаноносности по площади и по слоям пласта. Эффективность способ электромагнитного воздействия можно доказать, если известны процессы, происходящие в пласте в результате его применения.

Основы теории электронно-волнового воздействия в угольных пластах

Поддерживая идею авторов работ [10, 11] о применении электромагнитного воздействия, необходимо изменить цель и параметры воздействия на пласт. Прежде всего, что такое воздействие на пласт. Объектом воздействия в пласте является органическая часть пласта. По каждому пласту в результате элементного анализа известна массовая концентрация атомов углерода, водорода, кислорода, азота, серы и др. Такие данные можно получить и на предполагаемом участке для дегазации. Органическая часть состоит из блоков (рис. 2), основой которых являются макромолекулы.

Последние состоят из бензольных (ароматических) колец, образованных из лигнина. Эти кольца составляют жесткий остов пласта. Блоки и макромолекулы имеют разные размеры. К ароматическим кольцам макромолекул прикреплена химическими связями так называемая бахрома: обрывки молекул целлюлозы, жиров, восков. В бахроме много отдельных атомов С, Н и соединенных СН2, СН3. В соответствии с законами физики эти молекулы сохраняются в пласте, так как не разрушаются при таких превращениях, как растворение, плавление, испарение, коллоидные превращения и метаморфизм.

Авторы статьи считают, что природные физико-химические процессы в пласте происходят в соответствии с законами квантовой физики [12, 13]. Аксиомой физико-химических процессов в угольных пластах является основное положение квантовой физики об образовании и переносе тепловой энергии в молекулярной структуре вещества. Атомы химических элементов поглощают и испускают тепловую энергию в форме электромагнитных волн (фотонов). В теле пласта атомы также постоянно испускают и поглощают электромагнитные волны, поддерживая положительную температуру. Чтобы в угле образовался метан, нужно разорвать химические связи между атомами бахромы макромолекул и разорвать связи между блоками (рис. 3). Эти связи имеют электромагнитную энергию и для отделения атома необходимо осуществить электромагнитным излучением (фотоном) с такой энергией. Физический принцип следующий. В соответствии с принципом Паули (1925) все химические элементы имеют электронную структуру. Атом состоит из атомной оболочки и электронов, обращающихся на круговых орбиталях. 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. Атомы постоянно поглощают и испускают тепловую энергию в виде фотонов. Если величина поглощаемого фотона атомом превышает химическую или ван-дер-ваальсовую связь, то атом отсоединяется от другого. Экспериментально доказано, что первой разрушается бахрома [14] и происходит образование молекул газа с выделением нового количества фотонов энергии.

Все физико-химические процессы в пласте могут происходить под действием внутренних электромагнитных излучений или под воздействием внешних устройств. Внутренняя энергия электромагнитных излучений зависит от горного давления и увеличивается с глубиной погружения пласта.

В пласте увеличивается концентрация метана в свободной форме. В современных условиях в зонах влияния горных выработок происходит дополнительное образование свободного метана, что может привести к внезапному выбросу. Применение закономерностей квантовой физики позволяет определить параметры внешнего источника для повышения эффективности дегазации. В этом случае энергия внешнего источника может быть достаточной только для увеличения кинетической энергии молекул метана, находящихся в свободной форме. Повышается давление метана в полостях, происходит увеличение проницаемости, и метан дегазируется из пласта. Во втором случае, подача внешним источником потоков фотонов с энергией, соответствующей энергиям связи атомов С, Н в бахроме, инициирует дополнительное образование метана в свободной форме.

Увеличится давление в угольном пласте, снизится вероятность внезапного выброса и интенсивность выделения метана в горную выработку.

Выводы

Представленные результаты имеют научное значение, так как впервые дано обоснование эффективного применения внешнего источника электромагнитного излучения для активации образования метана в угольном пласте с целью предотвращения внезапных выбросов. Параметры внешнего источника потока фотонов рекомендуется определять с применением закономерностей квантовой физики. Теория электронно-волновой физики открывает перспективы для развития новых методов предотвращения внезапных выбросов и взрывов метана в горных выработках. Практической ценностью является обоснование способа увеличения концентрации метана в свободном состоянии в пласте, что повысит объем дегазируемого метана, снизит остаточную метаноносность в пласте и обеспечит метанобезопасность в горных выработках.

Ключевые слова: электронно-волновая, внутренняя энергия, угольный пласт, фотоны, атомы, электроны, метан, внезапные выбросы, метаноносность, электромагнитные излучения, квантовая физика, внешний источник

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:

1. Колесниченко, И.Е., Артемьев В.Б., Колесниченко Е.А. Новая теория внезапных выбросов метана из угольных пластов // Горная промышленность.–2018. №4. С. 59–60.

2. Ming-Min Yang, Dong Jik Kim, MarinAlexe. Flexo-photovoltaic effect. Science 25 May 2018, T 360, Issue 6391, pp. 904–907.

3. Грицко Г. Внезапные выбросы метана в шахтах. Наука в Сибири, 2007.– №32.

4. 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).

5. Смирнов В. Г. Исследование влияния фазовых превращений в системе вода метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах.–Автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук, Кемерово (2014). Специальность 02.00.04 Физическая химия.

6. Алексеев А.Д. Оценка энергии связи молекул метана с угольным веществом в твердом растворе / А. Д. Алексеев, Т. А. Василенко, Э. П. Фельдман // Горн. информ.-аналит. бюл. 2000. №7. С. 206–209.

7. Алексеев А.Д. Диффузионно-фильтрационная модель выхода метана из угольного пласта/ А.Д. Алексеев, Т.А. Василенко, К.В. Гуменник, Н.А. Калугина, Э.П. Фельдман// Журнал технической физики. Т. 77, вып. 4. 2007. С. 65–74.

8. Василенко Т. А. Изучение кинетики выхода составляющих компонентов угольного вещества (антрацит) при распылении ионами аргона методом ВИМС / Т. А. Василенко, В. А. Ступак, Е. А. Пронский // Форум гiрникiв - 2015: матерiалимiжнар. конф., 30 вересня - 3 жовтня 2015 р. Днiпропетровськ: НГУ, 2015. Т. 2. С. 83–87.

9. Фельдман Э.П. Физическая кинетика системы угольный пласт метан: массоперенос, предвыбросные явления/ Э.П. Фельдман, Т.А. Василенко, Н.А. Калугина// Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых. №3. 2014. С. 46–65.

10. Алексеев А.Д. Электромагнитное воздействие на угольный пласт для активации процесса дегазации / А.Д. Алексеев, А.К. Кириллов, А.Г. Мнухин, А.М. Брюханов// Физикотехнические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. 2006. Вып. 9. С. 5–19.

11. Бобин В.А. Научное обоснование электромагнитного способа интенсификации извлечения шахтного метана скважинами с горизонтальным окончанием ствола. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2014. С. 120–126.

12. Колесниченко И.Е. Теория электронно-волновой физики угольных пластов/ И.Е. Колесниченко, В.Б. Артемьев, Е.А. Колесниченко, В.Г. Черечукин, Е.И. Любомищенко // Горная промышленность. 2018. №5. С. 86–89.

13. Колесниченко И.Е. Новая теория внезапных выбросов метана из угольных пластов/ И.Е. Колесниченко, В.Б. Артемьев, Е.А. Колесниченко // Горная промышленность. 2018. №4. С. 59–60.

14. Torrent Javier Garcia, Fuchs Juan Cantalapiedra, Borrajo Juan Llamas. On the Combustion Mechanism of Coal Dust in the Presence of Firedamp. Combust. AndFlame. 1991. Vol. 87, no. 3–4, pp. 371–374.

Журнал "Горная Промышленность" №2 (144) 2019, стр. 47-50