Угольный метан: дар природы или наказание божье?

Состояние угольной промышленности Украины, как, впрочем, и газовой, можно охарактеризовать словами врача-реаниматолога: очень тяжелое, но стабильное. Единственное, что утешает в таком заключении, - это стабильность. Возможно, хуже не будет. На сегодняшний день газовая промышленность оказалась в застое главным образом из-за отсутствия новых месторождений. Угольную же отрасль регулярно стабильно опускают на колени катастрофические внезапные выбросы угля и газа из пластов, содержащих в большом избытке метан (до 50 кубометров в тонне угля). При этом Украина занимает восьмое место в мире по запасам угольного метана. А по количеству внезапных выбросов угля и газа в шахтах мы находимся повыше - четвертое место в мире. Вот только по добыче угольного метана мы где-то в конце списка.

Как обстоят дела в странах, у которых запасы угольного метана побольше и газонасыщенность углей не ниже? Известно, что лидируют по запасам угольного метана США, угли их месторождений очень богаты метаном, хотя по внезапным выбросам эта страна очень сильно отстает от нас. Есть, по крайней мере, две причины их завидного отставания. Во-первых, потому что законом у них регламентируется не содержание газа в шахтной атмосфере, а содержание метана собственно в угольных пластах, подлежащих разработке. И, во-вторых, угольного метана они добывают более 60 млрд кубометров в год. Решают они эту двуединую задачу (безопасность труда шахтеров и добыча газа), благодаря предварительной дегазации угольных пластов путем бурения горизонтальных скважин с поверхности земли и проведения гидроразрывов.

Почему, скажем, Российская Федерация не пошла по американскому пути? По словам гендиректора ВНИИГАЗа профессора Р.Тер-Саркисова, американцам повезло, потому что они единственные в мире обнаружили в своих угольных пластах некие "сладкие пятна" (в переводе со сленга американских геологов - это линзы со свободным газом под большим давлением) и их разрабатывают. А, кроме того, технология добычи, включающая гидроразрывы, чрезвычайно дорогая. Это не по карману даже РФ с ее нефтяными и газовыми долларами. Значит, все упирается в большие деньги и применение силового воздействия на угольный пласт?

Думаю, что добывать метан в нашей стране можно не за счет применения грубой силы и не за большие деньги, а из любви… к природе. Варианты рассмотрим ниже. Сначала попытаемся ответить на вопрос, который должен мучить и профессора в солидном институте, и шахтера в забое: что собой представляет метан в угольном пласте?

Угольный метан
и энергия, которую
он способен накопить

Итак, профессор Р.Тер-Саркисов предполагает, что газ в угольных пластах находится в свободном состоянии в неких линзах. Наши ученые из Донецкого региона придерживаются примерно такого же мнения. А вот один мудрый немец В.Гимм более полувека назад писал, что газ (он рассматривал углекислый газ в пластах калийной соли) может находиться в жидком и даже твердом состоянии. Жаль, что за эту догадку, не подкрепленную, правда, каким-либо физическим механизмом, не ухватились доктора от физики. Угольной отрасли крайне необходима новая, непротиворечивая модель процесса внезапного выброса, потому что миф о свободном газе в угольном пласте не выдерживает никакой критики, да и просто вреден, как любое заблуждение. Подробную критику мифа в рамках данной статьи опустим. Отметим только, что не может свободный газ из пресловутых линз раздробить уголь (в примерах В.Гимма - калийную соль) в пыль, которую шахтеры назвали "бешеная мука". В адрес приверженцев мифа (а их подавляющее большинство) напрашиваются слова в духе В.Высоцкого: "Нет, ребята, все не так! Все не так, ребята!".

Перед изложением новой модели внезапного выброса рассмотрим простые, но информационно емкие лабораторные эксперименты, проведенные лет 30 назад донецкими учеными.

В первом эксперименте образец угля насыщали метаном в замкнутом сосуде, потом резко снимали с него крышку. Угольный образец внутренним давлением разносило на мелкие кусочки. Чем не наглядная модель внезапного выброса, но без участия газа в свободном состоянии и находящегося в неких линзах?

А вот результаты эксперимента И.Рыженко должны просто потрясти любого ученого и даже не очень ученого. В лабораторных условиях образцы угля зажимали между пластинами под определенной нагрузкой, из камеры откачивали воздух, делали выдержку и потом запускали в камеру метан. Через некоторое время обнаруживали приращение давления примерно вдвое по сравнению с начальным: если внешнее поднимали до 25 кг/см², то внутреннее повышалось примерно до 50 кг/см², если внешнее увеличивали до 50 кг/см², то внутреннее возрастало до 100 кг/см². Кстати, эти дармовые 50% прироста энергии можно использовать вопреки запрету второго начала термодинамики. Автор данной статьи получил патент Украины на "Способ самопроизвольного сжатия газов", доказательной основой которого послужил эксперимент И.Рыженко. Когда читаю название патента, самого оторопь берет: ну ладно унтер-офицерская вдова сама себя высекла, может, у нее приступ мазохизма случился, а газ, будучи в здравом уме, почему взял, да и сам себя сжал? Как такое может произойти?

Как газ сам себя сжимает и дает прирост механической энергии
в образце угля?

Парадоксальные результаты эксперимента И.Рыженко - редчайшая находка для любого физика. Однако ни 30, ни 20 лет назад, ни тем более в новом тысячелетии никто так не ухватился за этот материал. Понятно, что профессора в Оксфорде не читают журнал "Уголь Украины", в котором в 1982 г. была опубликована статья И.Рыженко. А вот студенты физического факультета Донецкого госуниверситета упустили свой шанс: объяснить эффект Рыженко - это значит совершить переворот в физике и гарантированно получить Нобелевскую премию.

Сменилось уже не одно поколение ученых, а о перевороте в науке ничего не слышно. Что ж, придется автору самому переворачивать старушку-физику, как говорят у нас в Украине, "догори дриґом". Правда, за такое обращение с этой престарелой дамой мне премия не светит даже по линии профсоюза.

Переворот в физике №1. Лет этак 30 назад установлено новое явление в области диффузии молекул в жидкостях. Диффузия, как до тех пор считалось, - это хаотическое тепловое движение молекул. Такая диффузия имеет место, но является всего лишь частным случаем более общего явления - энтропоосмоса. Ведь если, по мнению Р.Фейнмана, проинформировать молекулы о том, куда им следует направить свое тепловое движение, то возникнет упорядоченное движение молекул, т.е. поток, который можно использовать для совершения работы. Явление, в котором информирование молекул посредством изменения структуры жидкости вызывает формирование потока, было названо энтропоосмосом.

Новая теория утверждает, что все жидкости имеют непреодолимое желание самопроизвольно двигаться в том направлении, где их структура более уплотнена. При этом молекулы жидкости получают информацию о предпочтительном направлении движения по своего рода GPS - по непрерывной трехмерной сети межмолекулярных связей. Структура жидкости способна воспринимать информацию извне и реагировать изменением упорядоченности.

Переворот в физике №2. Красивый эксперимент И.Рыженко простыми средствами продемонстрировал пример самоорганизации не только вещества (газ превратился в жидкость в трещинах образца угля), но и энергии, когда поток сжиженного метана сам себя уплотнил в ограниченном пространстве и обеспечил прирост давления. Не может не возникнуть коварный вопрос на засыпку, уже обозначенный выше: откуда взялся прирост давления, какая энергия превратилась в механическую? Путем исключения, хотя исключать здесь особо нечего, приходим к еретическому выводу: в механическую энергию превратилась теплота и в новом облике готова совершать работу.

Опять те же лет 30 назад в "Литературной газете" на 16-й странице появилась формула, описывающая нашу жизнь, да и жизнь молекул тоже: если нельзя, но сильно хочется, то можно! Вот и молекулам жидкости строго запрещено вторым законом термодинамики участвовать в несанкционированном марше и превращать теплоту в механическую энергию, но им очень хочется коллективно, организованной толпой двигаться туда, где уже и так тесно и, наверное, больно. Воистину, получается, по народной мудрости: хочется - это сильнее, чем болит. Это явление напоминает поведение людей во время спонтанных протестов.

Механизм самоорганизации вещества и энергии очень прост и действует в природе не в соответствии со вторым началом термодинамики, а согласно обобщенному принципу синергетики: самоорганизация наступает в системе закономерно и неизбежно, если внешнее воздействие (например, поступление информации) породило кооперативное, согласованное поведение молекул жидкости (в нашем случае - энтропоосмотический поток), а в системе при этом преобладает действие положительной обратной связи.

В эксперименте И.Рыженко проявление положительной обратной связи состоит в том, что поток, возникший вследствие образования различий в плотности жидкости в трещинах в образце угля, уплотняя структуру в тонкой части трещины, увеличивает разницу в плотности, которая собственно и породила первоначальный поток молекул жидкости.

Модель возникновения внезапного выброса
угля и газа

Внезапные выбросы угля и газа в шахтах, как и внезапные выбросы калийной соли и газов в рудниках подготовлены в одинаковых геологических и технологических условиях и протекают по одной и той же схеме. Газ в выбросоопасные породы пришел по разломам в земной коре, насытил за долгое геологическое время все мельчайшие поры и трещины. Насытил - это не просто образовал адсорбционную пленку на поверхности пор и трещин, похожую на двумерную жидкость. Горные породы, когда их ничто не ограничивает, способны набухать, т.е. поглощать газ не только для образования пленки, но и для заполнения порово-трещинного пространства плотным веществом - сжиженным газом.

Если препятствовать набуханию, то можно получить увеличение напряжений в образце, как в эксперименте И.Рыженко. В условиях естественного залегания увеличение объема горных пород ограничено, следовательно, возрастает давление в порах и трещинах. Причина роста давления - энтропоосмотический поток сжиженного газа в узкую часть пор и трещин, который усиливается действием положительной обратной связи. Этот поток "консервирует" сжиженный газ в порах и трещинах, делает его связанным, не свободным. В угольных пластах практически нет свободного газа!

Вывод из новой модели: чтобы освободить газ, необходимо разрушить поры и трещины в угле, а не пытаться соединиться с линзами свободного газа.

При выемке угля связанный газ освобождается сам, когда люди создают подходящие условия, не сознавая этого. Эти условия давно известны и описаны во многих работах. Основные положения следующие:

- осуществляется разработка пласта с высокой степенью газонасыщенности;

- стенки горной выработки оказываются сориентированными параллельно плоскости основной системы трещин в угольном пласте;

- происходит случайное воздействие на пласт волной, например звуковой, которая в фазе разряжения вызывает раскрытие "гармошки" трещин в горную выработку, сжиженный метан переходит в газовую фазу во всех мельчайших порах и трещинах с образованием "бешеной муки".

Если случится искра, тогда взрыв и пожар. Нелогично потом искать причину катастрофы в превышении концентрации метана в шахтной атмосфере: вентиляционная система справиться с выбросом не способна. Для предотвращения внезапных выбросов необходимо бурить дегазационные скважины с поверхности.

Как недорого
и эффективно осуществлять дегазацию угольных пластов
и добывать угольный метан?

Целесообразно, во-первых, не идти путем американских компаний с их странной приверженностью к силовым приемам и, во-вторых, воспользоваться очень болезненными подсказками природы, представленными нам в форме внезапных выбросов. Мы рассмотрели модель внезапного выброса, а задача технологии добычи метана - воспроизвести выброс угля и газа в скважине и в ожидаемом, а не внезапном варианте.

В чем должна состоять технология добычи угольного метана, которая не требует огромных инвестиций и совершения грубого насилия над природой?

Во-первых, необходимо пробурить скважину, сориентировав ее ствол параллельно плоскости основной системы трещин в угольном пласте. Диаметр ствола скважины в интервале угольного пласта должен быть максимально большим.

Во-вторых, нужно спустить в скважину колонну-фильтр.

В-третьих, следует переменными снижениями давления в скважине инициировать раскрытие "гармошки" трещин в угольном пласте в свободное пространство за колонной. Таким образом провоцируется начальная стадия выброса угля, но без измельчения его в пыль. Это тот же гидроразрыв, но произведенный наоборот: давление направлено не в пласт, а из пласта и образование проводящих газ трещин происходит не за счет затраты внешней энергии, а за счет той, что запасена в угольном пласте.

Вот и все: цели ясны и задачи определены. За дело, господа! Хватит платить дань духам подземного царства - одна человеческая жизнь за миллион тонн угля. Наша свобода от тяжелой дани и своей постыдной бедности - в освобождении угольного метана из заточения в согласии с природой.