Физическая модель выбросоопасного пласта

В. Шахов

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.

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 выбросоопасного песчаника: первый, ближайший к ее стенке, состоял 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. Известно, что в макроусловиях вода превращается в лед при понижении температурыдо 0°С. В микроусловиях свойства воды так принципиально меняются, что теперь температура замерзания опускается ниже —100 °С. Но с позиций допустимости утверждения абсолютной жесткости поры-ячейки главное в том, что вода, рассматриваемая во всех гидравлических расчетах для микроусловиях при давлениях 60—80 Мпа как тело не сжимаемое, в микроусловиях приобретает плотность даже 2,45г/см3 и модуль сдвига до 20МПа. Следовательно, микрополости превратили воду в твердое тело с совершенно аномальными свойствами по сравнению со свойствами воды в макроусловиях. Стенки пор ячеек покрыты дипольными молекулами воды, а метан находится внутри своеобразной полости, уровень свободной поверхностнойэнергиинеуравновешенностимолекулярных сил в которой определяется дипольностью молекулы воды.