Физическая модель выбросоопасного пласта

Формирование физической модели выбросоопасного пласта может рассматриваться как результат комплекса исследований природы выбросоопасности.

Физическая модель была впервые разработана МакНИИ, в дальнейшем развита, подтверждена многочисленными шахтными экспериментами, которые проводились совместно с ДонНТУ, МакНИИ и содержал представление о том, что выбросоопасный угольный пласт — это трещиновато-пористое тело, отдельные структурные блоки которого газонепроницаемы и способны увеличиваться в объеме при увеличении содержания метана. Метан рассматривался как источник дополнительных  напряжений или как фактор, обуславливающий такое изменение деформационных свойств угольного массива, которое существенно увеличивает склонность его к разрушению при разгрузке.

Уже на этапе создания физической модели выбросоопасного пласта было высказано предположение что многобразие (неординарность) случаев выбросов, «нелепых» с позиции исследователей, исключавших аномалъность природной газоносности отдельных участков шахтопластов, вполне удовлетворительно объяснялось бы, если представить метан в угольных пластах твердом состоянии обусловливающем неравномерность его распределения (содержания) в шахтопласте. Если проследить изменение представлений о состоянии метана в выбросоопасном угольном пласте в хронологическом порядке, то их можно в известной мере условно, опуская существовавшую на всех стадиях дискусионность вопроса, охарактеризовать тремя стадиями. На первой большинство ученых, считали что метан в угольном пласте (микротресщинах, порах) находится в свободном состоянии под большим давлением.

Но еще в пятидесятые годы было установлено, что фактический объем метана, если исходить из того, что угле он находится в газообразном состоянии, на два порядка превышает порогвое пространство, измеренное по заполнению его гелием. Даже объем сжиженного метана в двое больше объема пор угля, и это несоответствие возрастает при понижении температуры и повышении давления.

Академиком А.А.Скочинским было показано, что корда в 1 м угля находится 27,5 м³ метана, то давление газа должно было бы в нем достичь 20 МПа, если бы весь метан находился в свободном состоянии. Тогда кусок угля при таком внутреннем давлении, отторгнутый от массива, должен был бы разлететься на мельчайшие частицы, чего в действительности не бывает.

Это явление объясняет тот факт, что какая-то часть метана, содержащегося в угле, находится не в газообразном состоянии, а в таком, когда давление газа не создается.

Возможности существования газа в виде компонента природной системы "газ—уголь" по д.т.н. И.Л. Эттингеру трактовались так:

— газы находятся в свободном состоянии в трещинах и порах угля. В этом случае система подчиняется законам газового состояния;

— газы находятся в состоянии твердого молекулярного раствора (абсорбированы). В этом случае количество поглощенного газа должно быть прямо пропорционально его давлению;

— газы находятся в состоянии сконденсированной поверхностной фазы, т.е. концентрация газа у границы раздела уголь-газ больше, чем во всем остальном объеме. Такое сгущение у поверхности называется физической адсорбцией;

— на поверхности угля образуются химические связи с молекулами газов, т.е. между сорбентоми с сорбатоми наблюдается перенос электронов;

-                  газы находятся в угле в виде непрочных химических соединений, которые обычно существуют лишь при больших давлениях.

-                  Концентрирование газа на поверхности раздела двух фаз происходит под влиянием молекулярных сил, неуравновешенных на поверхности сорбента.

Общим недостатком разработанных ранее физических моделей является то, что в них не учитывалось наличие в поровом объеме угля наряду с метаном материнской влаги ("воды"). В 1988-1993 гг. МакНИИ совместно с ДонНТУ был выполнены исследования, направленные не на уточнение ранее разработанной физической модели выбросоопасного пласта, а на выяснение положений, которые помогли бы понять причины как нулевой проницаемости выбросоопасности массива, так и влияния метана на деформационные свойства угольного пласта, его склонность к разрушению при разгрузке, которые были экспериментально определены и уже перечислены. Высказанное утверждение подтверждает и объясняет тот
факт, что к. г-м.н. В.А. Баранову удалось сфотографировать
под микроскопом двухслойное заполнение поры выбросо-
опасного песчаника: первый, ближайший к ее стенке, состо-
ял из воды, следующий после него — из метана (41).

Предложенную МакНИИ физическую модель выбросоопасного угольного пласта с учетом ре-зультатов исследований, выполненных в 1988—1993гг., можно представить в виде гетерогенной среды с абсолютно жесткими рассеянными включениями. По вопросу обоснования абсолютной жесткости поры-ячейки размеромменее   10^-7 м, внутренняя поверхность которой покрыта молекулами воды, необходимо обратить внимание на следующие явления-превращения.