|
|
Оптимизировано под:
|
|
Скачать все 2,3 Мб, в т.ч. и то, что доступно с этой страницы (по состоянию на 01.02.2001).
Шестопалов А.В.
Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук, г.Москва, Россия (ИПКОН РАН)
|
|
A.V.Shestopalov
Institute of Complex Exploration of Mineral Wealth, Russian Academy of Sciences, Russia, Moscow (IPKON RAN)
|
|
|
Об эффективности технологий добычи угольного метана, основанных на образовании полости вокруг скважины. Экологически безопасный способ получения, практически бесплатно по сравнению с традиционными технологиями, электроэнергии и заменителя природного газа из угольных месторождений.
|
|
On efficiency of coal seam methane extraction geotechnologies involving cavity generation around wells. Practical, free, ecological, and substitute for natural gas from coal deposits.
|
|
- Доклад (объединенный) 20.06.00 на секции IV-Угледобыча (подсекция 1 - Угледобыча: Передовые технологии и научные исследования) и на секции IV-Угледобыча (подсекция 2 - Угледобыча: Рынки шахтного метана и направления утилизации) на II Международной конференции "Сокращение эмиссии метана" (18-23 июня 2000г., г.Новосибирск-Академгородок)
|
|
- Methane mitigation: Proceeding of Second International Conference (June 18-23, 2000, Novosibirsk, Russia).
|
|
Уважаемые коллеги, дамы и господа!
В связи с увеличением глубины разработки, традиционные знания перестали удовлетворять горняков-практиков. Например, при выбросе угля и газа, метана выделяется на порядок больше, чем его содержалось в угле, согласно теории. При газоносности 40 м3/т выделяется 400-500 м3/т. Традиционная горная наука объясняет дополнительные количества метана фильтрацией газа из глубин пласта. При этом шахтный эксперимент показывает, что на больших глубинах уголь имеет нулевую газопроницаемость. Если пробурить две скважины на один и тот же пласт на небольшом расстоянии друг от друга, то в них никогда не установится одинаковое газовое давление. Сообщающиеся сосуды между собой не сообщаются. Вторая версия от официальной науки - различные утечки газа в обход герметизатора. Из-за отсутствия необходимого инструментария эту версия сегодня нельзя ни опровергнуть ни подтвердить.
С позиций традиционных знаний не возможно объяснить грушевидную форму полости, образующуюся иногда в угольном пласте после выброса.
Нет никаких оснований, кроме цвета, считать, что уголь в лаборатории и уголь глубоко под землей - это одно и то же.
Традиционные знания, то есть представления об угольном веществе как о трещиновато-пористом материале, содержащем в себе метан, в тех количествах, в которых он выделяется при ведении горных работ - есть гипотеза. Практически ни одно из основных ее положений не подтверждено прямым натурным экспериментом. Например, наличие метана в ископаемом угольном пласте в тех количествах в которых он выделяется.
Мы предлагаем другую гипотезу. Наш альтернативный подход основан на принципиально новом явлении, которое наблюдается только на больших глубинах. Это саморазрушение краевой части горного массива.
Из неравновесной термодинамики (синергетики) известны конвективные ячейки Бенара, или, так называемые, диссипативные структуры Пригожина (слайд 1), образующиеся при "продувке" жидкого вещества потоком тепловой энергии. Аналогичные диссипативные структуры образуются в краевой части угольного пласта под действием горного давления - потока механической энергии, "вытекающего" из пласта в горную выработку. Из теории (синергетики) так же известно, что самоорганизация в неживой природе возможна только в открытых системах сильно удаленных от своего равновесия. Такой системой является система "угольный пласт - выработка" на больших глубинах.
Наглядное изображение 3-х мерной диссипативной структуры в краевой части мощного угольного пласта (слайд 2).
Наглядное изображение 2-х мерной диссипативной структуры в краевой части тонкого угольного пласта (слайд 3).
Для интерпретации всего, что само происходит в горных выработках (слайд 4) предлагается принять новые представления о 3-х псевдоагрегатных состояниях угольного вещества (по аналогии с известными агрегатными состояниями - твердое, жидкое, газообразное):
1) ненарушенный массив;
2) разупрочненный массив;
3) газоугольный поток.
Самоорганизация применительно к краевой части угольного пласта - это есть нонсенс, если смотреть с позиций термодинамики и в частности ее 2-го закона:
1) фазовый переход типа "беспорядок-порядок"; это образование упорядоченной системы трещин, наведенной горной выработкой. Все физические процессы в краевой части угольного пласта сводятся нами к одному процессу - к фазовому самопроизвольному переходу краевой части в псевдоагрегатное состояние "разупрочненный массив", а в случае режима обострения, сразу в "газоугольный поток".
Дополнительные количества метана генерируются (рождаются) на острие растущей трещины (слайд 5). При этом, как было показано выше, газовая проницаемость у пласта появляется в результате прорастания трещин, то есть одновременно с метаном.
Механизм выброса угля и газа следующий (слайд 6). Посредине забоя прорастает секущая трещина, которая затем ветвится на трещины расслоения. Образуется древовидная диссипативная структура. Достигнув фундаментальной длины, трещина начинает генерировать метан. Выделившийся метан расклинивает трещину. Трещина продолжает расти за счет газового давления и генерирует новые порции метана. За счет появления положительной обратной связи, процесс саморазрушения становится самоподдерживающимся. Это типичная синергетическая задача "горения" среды, то есть режим обострения в синергетической активной среде, то есть содержащей внутренние источники энергии.
Выброс угля и газа, как фазовый переход, хорошо илюстрируется теорией катастроф Рене Тома (слайд 7).
Диссипативная структура в краевой части угольного пласта является фракталом (слайд 8). Каждая трещина это повторение горной выработки и описанного механизма. В трещину как в выработку происходит микровыброс. Именно здесь, в стенке трещины, образуется сильно измельченное угольное вещество, так называемая, "бешеная мука".
При бурении скважины (слайд 9) вокруг нее образуются дискообразные трещины и цилиндрические трещины, которые обязательно соединены между собой и поэтому образуюют хороший газопроводящий канал. Схемы трещинообразования, полученные при помощи клеточных автоматов, находят подтверждение при исследовании кернов и в физическом моделировании.
При выбуривании керна, дискообразные трещины продолжаются в теле керна и ветвятся на цилиндрические трещины (слайд 10).
В плоскости тонкого угольного пласта образуется исключительно 2-х мерная диссипативная структура (слайд 11). При этом всегда первыми прорастают радиальные (секущие) трещины, которые затем ветвятся на трещины расслоения.
Трещины не образуются параллельно груди забоя (слайд 12), как это принято считать в традиционной горной науке, развитой для подземных горных выработок С.А.Христиановичем и его последователями.
На малых глубинах "балка" (часть горного массива) сперва отслаивается, а затем ломается (слайд 13). На больших глубинах "балка" сначала ломается, а затем отслаивается.
Мы получили полный детальный (подробный) механизм самообразования дефектов в геоматериале - механизм реакции саморазложения угольного вещества на твердую и газообразную компоненты. Следовательно мы знаем управляющие параметры и можем объяснить успех (высокую эффективность) технологии США добычи угольного метана из неразгруженных угольных пластов. Мы можем предложить концепцию еще более эффективной технологии на основе управляемого выброса угля и газа в скважину, пробуренную с дневной поверхности.
Предлагаемые идеи прошли предварительную проверку на скважинах, пробуренных из подземных горных выработок (слайд 14). Получено подтверждение, что чем больше каверна (полость) вокруг скважины, тем больше интенсивность газовыделения и время действия скважины.
Благодарю за внимание.
Дополнение: (не докладывалось, не публиковалось, не патентовалось, подарок до 31 января 2001 года).
© 20.06.2000-12.08.2004 Шестопалов А.В.
