Шестопалов А.В.

Фракталы, прикладная синергетика, бифуркации и клеточные автоматы при исследовании взрывоподобного саморазложения твердых растворов

- Фракталы и прикладная синергетика / Труды Международного междисциплинарного симпозиума "ФиПС-03" (17-20.11.2003г., ИМЕТ им.А.А.Бойкова РАН, г.Москва). - М.: Изд-во МГОУ, 2003. - с.201-205.

Предлагается обсудить обязательность одновременного использования перечисленных в заглавии дисциплин при изучении и описании результатов исследования некоторых исключительных объектов, например, взрывоподобного саморазложения твердых растворов (самоорганизации дефектов при их образовании в геоматериале в режиме с обострением). Имеются ввиду конкретные процессы, так называемые в геомеханике, динамические (ДЯ) и газодинамические (ГДЯ) явления.

Взрывоподобное саморазложение становится возможным благодаря самоупорядочению дефектов на больших глубинах разработки в системе «горный массив - выработка», сильно удаленной от ископаемого механического равновесия. Без обязательного привлечения теории бифуркаций и клеточных автоматов (при исследовании по частям, например, с точки зрения только теории фрактальных множеств или любой из перечисленных в заглавии дисциплин) не удается воссоздать полностью картину механизма явления и такие односторонние исследования, адекватные в частностях, но не адекватные явлению в целом, не могут быть эффективными для эволюционирующих систем. Возможно для отдельных каких-то направлений исследований, например, в металлургии это никогда не станет актуальным. Но в связи с тем, что горняки, в лице автора, начали применять фракталы и прикладную синергетику (ФиПС) совместно с теорией бифуркаций и клеточными автоматами (ТБиКА), предлагается расширить рамки настоящего Междисциплинарного симпозиума в этом направлении.

ДЯ – это не состоявшиеся ГДЯ. Наиболее полным (у которого все состоялось) явлением из всех ДЯ и ГДЯ является выброс породы и газа или выброс твердого полезного ископаемого и газа, например, выброс угля и газа. Явление носит катастрофический характер. Отдельные выработки могут быть заполнены сильно измельченным угольным веществом более чем на пол километра от места выброса. Частота выбросов, в связи с углублением горных работ увеличивается, что сдерживает темпы добычи и усугубляет безопасность ведения горных работ.

Краевую часть (горную выработку) создает человек. Но в остальном (если человек больше ничего не будет предпринимать), то практически все, что происходит в горной выработке - это самопротекающие физические процессы, которые локализованы исключительно в краевой части угольного пласта. Все ДЯ и ГДЯ содержат процесс дефектообразования - процесс переориентации (разворотов, поворотов) дефектов и генерации себе подобных. Видимая невооруженным глазом часть этого процесса трещинообразование (саморазрушение). Процессы ДЯ и ГДЯ на всех масштабных уровнях протекают согласованно, одновременно, самоподобно и сводятся автором к одному процессовому фракталу - к фазовому самопроизвольному переходу краевой части горного массива в псевдоагрегатное состояние «разупрочненный массив (массив с трещинами, наведенными поверхностью обнажения, т.е. трещинами техногенно-антропогенного происхождения)», а в случае режима с обострением, например, при выбросе угля и газа, к фазовому переходу из «ненарушенного трещинами» состояния сразу в «газоугольный поток». Свободного метана в угле практически нет, а предполагается, что он находится в связанном состоянии. Традиционная горная наука считает, что метан, необходимый для выброса, может выделяться в результате термодинамического разложения твердого углегазового раствора (ТУГРа), но не может объяснить как это может произойти мгновенно, при этом в условиях отсутствия проницаемости угольных пластов в режиме фильтрации и многое другое. Наш альтернативный подход является синергетическим. Количества метана, регистрируемые в горных выработках, генерируются (рождаются) на острие растущей трещины. Так как на глубинах, где начинает проявляться саморазрушение, ископаемые угольные пласты изначально газонепроницаемы, то газовая проницаемость у пласта появляется в результате прорастания техногенно-антропогенных трещин саморазрушения (трещин, наведенных поверхностью обнажения), то есть одновременно с генерацией дополнительных объемов метана. При этом между массивом угля и горной выработкой идет непрерывный обмен потоками механической энергии, равенство которых обуславливает механическое (не термодинамическое) равновесие системы в целом.

«Воздействие» на пласт, при вскрытии его горной выработкой является воздействием со знаком минус, т.е. созданием условий для мгновенного расширения пласта и взрывоподобного высвобождения накопленной им энергии упруго сжатого тела. Создание горной выработки вызывает смещение равновесия в сторону выработанного пространства, а, следовательно, и возрастание соответственно направленного потока («ветра») механической энергии в выработку. Достигнув критической плотности на единицу площади обнаженной поверхности («расхода»), поток вызывает скачкообразную перестройку (ломку) ископаемой структуры в структуру, имеющую более энергетически выгодное состояние, в данном случае - разупрочненное (содержащее трещины). Слабое воздействие (разбаланс равновесия) вызывает слабую реакцию горного массива, например в виде небольшой трещины. Сильное воздействие вызывает сильную реакцию, например, в виде горного удара или выброса угля и газа. Горный удар - это не состоявшийся выброс, из-за отсутствия выделения газа во время роста системы трещин, а, следовательно, из-за отсутствия носителя продуктов разрушения.

Механизм выброса угля и газа состоит из 2-х основных частей: 1) разупрочнения под действием горного давления, а затем и газового и 2) разрушения разупрочненной области под действием газового давления или давления веса разупрочненного угля на крутопадающих пластах (близких к вертикальному залеганию) или того и другого совместно. И другого возможного давления, например при выполнении технологических операций - давления жидкости при гидровымыве полости, давления воздуха при продувке во время бурения шпуров и т.п. Инициатором является первая часть процесса, а затем обе части процесса протекают одновременно. Измельчение угольного вещества до супермилонитов и выделение больших количеств газа происходит в результате того же процесса (части процессового фрактала), но протекающего на мезо-, микроуровне.

Самоорганизация и коллективное поведение в механизме саморазложения твердого углеводородного раствора (ТУВРа) проявляется практически во всем, при этом фрактально (самоподобно) на всех масштабных уровнях. Например, в механизме появления диффузионной свехпроницаемости, когда дефекты разворачиваются вдоль силовых линий поля напряжений. При этом механизмы на всех масштабных уровнях фрактально подобны. Например «схлопывание» нормальных к силовым линиям трещин и раскрытие параллельных силовым линиям на макроуровне и разворот мезодефектов и дислокаций вдоль силовых линий на микроуровне. При этом, переход типа «порядок-беспорядок» происходит обязательно скачкообразно, одновременно всех дефектов, в некоторой локальной области. Под термином «порядок-беспорядок» понимаются оба направления фазового перехода, т.е. и «беспорядок-порядок», так как для хрупкого разрушения – это понятие субъективное. Например, если рассматривать трещинообразование как образование упорядоченных структур, то получается переход от хаоса к порядку. В то же время всякое разрушение традиционно ассоциируется с дезинтеграцией, т.е. с переходом к хаосу.

Коллективное поведение растянутой «шеренги» из углерода (С-С-С-…-С), при внедрении в нее молекулы метана, подобно растягиваемой шеренге людей взявшихся между собой за руки. Очевидно, что люди заинтересованы в привлечении еще кого-нибудь. Образно говоря любой «примеси», даже ввиде веревки или палки. Растягиваемая шеренга, а в частности каждый ее участник испытают облегчение, если кто-нибудь станет в эту шеренгу еще. Эстафетный механизм неразрушающего транспорта молекул метана по газонепроницаемому угольному веществу возможен и подобен переталкиванию бильярдных шаров при прохождении упругой волны, которую для общего случая можно называть «волной свойств». Если мы, например, в ванне наполненной до краев водой, шлепнем ладонью руки на одном конце ванны, то вода на другом конце выплеснется на пол. Это не означает, что объем воды из под ладони переместился на пол. По воде прошла волна свойств и сгенерировала объем воды выплеснувшийся на пол. При использовании в геомеханике междисциплинарных аналогий приходится абстрагироваться и называть такой подход синергетическим.

Синергетических и фрактальных представлений о рассматриваемом процессе не достаточно для количественных оценок, хотя они и позволили совершить прорыв на уровне феноменологии. Ключ к решению проблемы видится нам только в мягком моделировании, которое по определению не дает количественных оценок. Замена реальной среды на модельную, состоящую из клеточного автомата (КА) может стать возможным только при условии привлечения теории бифуркаций (ТБ). В первую очередь имеется ввиду 7 элементарных катастроф Р.Тома. Согласно ее представлений, процесс разупрочнения и разрушения может быть составлен из большого числа одинаковых элементарных актов, подчиняющихся единому алгоритму. Применение ТБиКА позволяет получить и визуализацию всего процессового фрактала, и визуализацию траекторий его эволюции, и многое другое, в т.ч. в некотором роде и количественные оценки. Процесс выброса угля и газа (процесс разложения твердого углеводородного раствора под действием потока механической энергии) состоит из большого количества абсолютно одинаковых элементарных актов разрушения. Но ни одному из этих актов, как и следовало ожидать, не присущи свойства, которые появляются у явления при их коллективном поведении.

Таким образом, изучение процессовых фракталов, протекающих скачкообразно в целом и состоящих из большого числа одинаковых элементарных скачкообразных актов, представляется возможным только при использовании одновременно ФиПС плюс ТБиКА. Это позволит доказать, что в природных условиях в шахте имеет место быть реализация новой неизвестной традиционному естествознанию «методики вещественного анализа» - генерации давлением рудничных газов, флюидов и твердой компоненты.


Вернуться на главную www.shestopalov.org Вернуться на http://sinergo.exponenta.ru
  ©   28.10-13.02.2005   Шестопалов А.В.