Вугільний метан: дарунок природи чи кара божа?

Стан вугільної промисловості України, як, утім, і газової, можна охарактеризувати словами лікаря-реаніматолога: дуже важкий, але стабільний. Єдине, що втішає в такому висновку, - це стабільність. Можливо, гірше не буде. На сьогодні газова промисловість опинилася в застої здебільшого через відсутність нових родовищ. Вугільну ж галузь регулярно стабільно опускають на коліна катастрофічні раптові викиди вугілля і газу з пластів, які містять у великому надлишку метан (до 50 кубометрів у тонні вугілля). При цьому Україна посідає восьме місце у світі за запасами вугільного метану. А за кількістю раптових викидів вугілля і газу в шахтах ми перебуваємо вище - четверте місце у світі. От лише за видобутком вугільного метану ми десь наприкінці списку.

Як справи в країнах, у яких запаси вугільного метану більші і газонасиченість вугілля не нижча? Відомо, що лідирують за запасами вугільного метану США, вугілля їхніх родовищ дуже багаті на метан, хоча за раптовими викидами ця країна дуже сильно відстає від нас. Є принаймні дві причини їхнього завидного відставання. По-перше, тому що законом у них регламентується не вміст газу в шахтній атмосфері, а вміст метану власне у вугільних пластах, які підлягають розробці. І, по-друге, вугільного метану вони видобувають понад 60 млрд кубометрів на рік. Вирішують вони це двоєдине завдання (безпека праці шахтарів і видобуток газу), завдяки попередній дегазації вугільних пластів шляхом буріння горизонтальних свердловин з поверхні землі і проведення гідророзривів.

Чому, скажімо, Російська Федерація не пішла американським шляхом? За словами гендиректора "ВНИИГАЗ" професора Р.Тер-Саркісова, американцям пощастило, тому що вони єдині у світі виявили у своїх вугільних пластах якісь "солодкі плями" (у перекладі зі сленгу американських геологів - це лінзи з вільним газом під великим тиском) і їх розробляють. А, крім того, технологія видобутку, яка включає гідророзриви, надзвичайно дорога. Це не по кишені навіть РФ з її нафтовими і газовими доларами. Виходить, усе впирається у великі гроші і застосування силового впливу на вугільний пласт?

Гадаю, що добувати метан у нашій країні можна не за рахунок застосування грубої сили і не за великі гроші, а з любові... до природи. Варіанти розглянемо нижче. Спочатку спробуємо відповістити на запитання, яке має мучити і професора в солідному інституті, і шахтаря у вибої: що собою являє метан у вугільному пласті?

Вугільний метан
та енергія, яку він здатен накопичити

Отже, професор Р.Тер-Саркісов припускає, що газ у вугільних пластах перебуває у вільному стані в якихось лінзах. Наші вчені з Донецького регіону дотримуються приблизно такої ж думки. А от один мудрий німець В.Гімм більш як півстоліття тому писав, що газ (він розглядав вуглекислий газ у пластах калійної солі) може перебувати у рідкому і навіть твердому стані. Жаль, що за цей здогад, не підкріплений, щоправда, якимось фізичним механізмом, не вхопилися доктори від фізики. Вугільній галузі вкрай необхідна нова, несуперечлива модель процесу раптового викиду, тому що міф про вільний газ у вугільному пласті не витримує жодної критики, та й просто шкідливий, як будь-яка омана. Докладну критику міфу в рамках цієї статті опустимо. Зазначимо лише, що не може вільний газ із горезвісних лінз роздробити вугілля (у прикладах В.Гімма - калійну сіль) на пил, який шахтарі назвали "шалене борошно". На адресу прибічників міфу (а їх переважна більшість) напрошуються слова в дусі В.Висоцького: "Нет, ребята, все не так! Все не так, ребята!".

Перед викладом нової моделі раптового викиду розглянемо прості, але інформаційно місткі лабораторні експерименти, виконані років 30 тому донецькими вченими.

У першому експерименті зразок вугілля насичували метаном у замкнутій посудині, потім різко знімали з неї кришку. Вугільний зразок внутрішнім тиском розносило на дрібні шматочки. Чим не наочна модель раптового викиду, але без участі газу у вільному стані, який перебуває до того ж в якихось лінзах?

А от результати експерименту І.Риженка мають просто вразити будь-якого вченого і навіть не дуже вченого. У лабораторних умовах зразки вугілля затискали між пластинами під певним навантаженням, з камери відкачували повітря, робили витримку і потім запускали в камеру метан. Через певний час виявляли збільшення тиску приблизно вдвічі порівняно з початковим: якщо зовнішній піднімали до 25 кг/см², то внутрішній підвищувався приблизно до 50 кг/см², якщо зовнішній збільшували до 50 кг/см², то внутрішній зростав до 100 кг/см². До речі, ці дармові 50% приросту енергії можна використати всупереч забороні другого закону термодинаміки. Автор цієї статті одержав патент України на "Спосіб довільного стискання газів", доказовою основою якого послужив експеримент І.Риженка. Коли читаю назву патенту, самого страх бере: ну нехай унтер-офіцерська вдова сама себе висікла, може, у неї напад мазохізму стався, а газ, перебуваючи при здоровому глузді, чому взяв, та й сам себе стиснув? Як таке може статися?

Як газ сам себе стискає і дає приріст механічної енергії в зразку вугілля?

Парадоксальні результати експерименту І.Риженка - рідкісна знахідка для будь-якого фізика. Однак ні 30, ні 20 років тому, ні тим більше в новому тисячолітті ніхто так і не вхопився за цей матеріал. Зрозуміло, що професори в Оксфорді не читають журналу "Уголь Украины", у якому в 1982 р. було опубліковано статтю І.Риженка. А от студенти фізичного факультету Донецького держуніверситету втратили свій шанс: пояснити ефект Риженка - означає зробити переворот у фізиці і гарантовано одержати Нобелівську премію.

Змінилося вже не одне покоління вчених, а про переворот у науці нічого не чутно. Що ж, доведеться авторові самому перевертати бабусю-фізику, як кажуть у нас в Україні, догори дриґом. Щоправда, за таке поводження з цією старою дамою мені премія не світить навіть по лінії профспілки.

Переворот у фізиці №1. Років десь 30 тому було встановлене нове явище в галузі дифузії молекул у рідинах. Дифузія, як доти вважалося, - це хаотичний тепловий рух молекул. Така дифузія має місце, але є всього лише окремим випадком більш загального явища - ентропоосмосу. Адже якщо, на думку Р.Фейнмана, проінформувати молекули про те, куди їм варто спрямувати свій тепловий рух, то виникне впорядкований рух молекул, тобто потік, який можна використати для здійснення роботи. Явище, в якому інформування молекул з допомогою зміни структури рідини викликає формування потоку, було назване ентропоосмосом.

Нова теорія стверджує, що всі рідини мають нездоланне бажання мимовільно рухатися в тому напрямку, де їхня структура більш ущільнена. При цьому молекули рідини одержують інформацію про кращий напрямок руху по свого роду GPS - по безперервній тривимірній мережі міжмолекулярних зв'язків. Структура рідини здатна сприймати інформацію ззовні і реагувати зміною впорядкованості.

Переворот у фізиці №2. Чудовий експеримент І.Риженка з допомогою простих засобів продемонстрував приклад самоорганізації не лише речовини (газ перетворився на рідину в тріщинах зразка вугілля), а й енергії, коли потік скрапленого метану сам себе ущільнив в обмеженому просторі і забезпечив приріст тиску. Не може не виникнути підступного запитання на засипку, уже позначеного вище: звідки взявся приріст тиску, яка енергія перетворилася на механічну? Шляхом виключення, хоча виключати тут особливо нічого, доходимо єретичного висновку: на механічну енергію перетворилася теплота і в новому вигляді готова робити роботу.

Знову ті ж років 30 тому в "Литературной газете" на 16-й сторінці з'явилася формула, що описує наше життя, та й життя молекул теж: якщо не можна, але сильно хочеться, то можна! От і молекулам рідини суворо заборонено другим законом термодинаміки брати участь у несанкціонованому марші і перетворювати теплоту на механічну енергію, але їм дуже хочеться колективно, організованою юрбою рухатися туди, де вже і так тісно і, напевно, боляче. Воістину, виходить, за народною мудрістю: хочеться - це сильніше, ніж болить. Це явище нагадує поведінку людей під час спонтанних протестів.

Механізм самоорганізації речовини та енергії дуже простий і діє в природі не відповідно до другого закону термодинаміки, а згідно з узагальненим принципом синергетики: Самоорганізація виникає в системі закономірно і неминуче, якщо зовнішній вплив (наприклад, надходження інформації) породив кооперативну, узгоджену поведінку молекул рідини (у нашому випадку - ентропоосмотичний потік), а в системі при цьому переважає дія позитивного зворотного зв'язку.

В експерименті І.Риженка прояв позитивного зворотного зв'язку полягає в тому, що потік, який виник унаслідок виникнення різниць у щільності рідини в тріщинах у зразку вугілля, ущільнюючи структуру в тонкій частині тріщини, збільшує різницю в щільності, яка власне і породила початковий потік молекул рідини.

Модель виникнення раптового викиду
вугілля і газу

Раптові викиди вугілля і газу в шахтах, як і раптові викиди калійної солі і газів у рудниках підготовлені в однакових геологічних і технологічних умовах і протікають за тією самою схемою. Газ у викидонебезпечні породи прийшов по розламах у земній корі, наситив за тривалий геологічний час усі дрібні пори і тріщини. Наситив - це не просто утворив адсорбційну плівку на поверхні пор і тріщин, схожу на двовимірну рідину. Гірські породи, коли їх ніщо не обмежує, здатні набухати, тобто поглинати газ не тільки для утворення плівки, а й для заповнення порово-тріщинного простору щільною речовиною - скрапленим газом.

Якщо перешкоджати набряканню, то можна одержати збільшення напруг у зразку, як в експерименті І.Риженка. В умовах природного залягання збільшення обсягу гірських порід обмежене, отже, зростає тиск у порах і тріщинах. Причина зростання тиску - ентропоосмотичний потік скрапленого газу у вузьку частину пор і тріщин, що посилюється дією позитивного зворотного зв'язку. Цей потік "консервує" скраплений газ у порах і тріщинах, робить його зв'язаним, не вільним. У вугільних пластах практично немає вільного газу!

Висновок з нової моделі: щоб звільнити газ, необхідно зруйнувати пори і тріщини у вугіллі, а не намагатися з'єднатися з лінзами вільного газу.

При виїмці вугілля зв'язаний газ звільняється сам, коли люди створюють підходящі умови, не усвідомлюючи цього. Ці умови давно відомі й описані в багатьох працях. Основні положення такі:

- здійснюється розробка пласта з високим ступенем газонасиченості;

- стінки гірської виробки виявляються орієнтованими паралельно площині основної системи тріщин у вугільному пласті;

- відбувається випадковий вплив на пласт хвилею, наприклад звуковою, яка у фазі розрядження викликає розкриття "гармошки" тріщин у гірську виробку, скраплений метан переходить у газову фазу в усіх дрібних порах і тріщинах з утворенням "шаленого борошна".

Якщо трапиться іскра, тоді вибух і пожежа. Нелогічно потім шукати причину катастрофи в перевищенні концентрації метану в шахтній атмосфері: вентиляційна система впоратися з викидом не здатна. Для запобігання раптовим викидам необхідно бурити дегазаційні свердловини з поверхні.

Як недорого та ефективно здійснювати дегазацію вугільних пластів і видобувати вугільний метан?

Доцільно, по-перше, не йти шляхом американських компаній з їхньою дивною схильністю до силових прийомів і, по-друге, скористатися дуже болісними підказками природи, поданими нам у формі раптових викидів. Ми розглянули модель раптового викиду, а завдання технології видобутку метану - відтворити викид вугілля і газу в пласті і в очікуваному, а не раптовому варіанті.

У чому має полягати технологія видобутку вугільного метану, що не потребує величезних інвестицій і вчинення грубого насильства над природою?

По-перше, необхідно пробурити свердловину, зорієнтувавши її стовбур паралельно площині основної системи тріщин у вугільному пласті. Діаметр ствола свердловини в інтервалі вугільного пласта має бути максимально великим.

По-друге, треба спустити в свердловину колону-фільтр.

По-третє, треба змінними зниженнями тиску в свердловині ініціювати розкриття "гармошки" тріщин у вугільному пласті у вільний простір за колоною. У такий спосіб провокується початкова стадія викиду вугілля, але без подрібнення його на пил. Це той самий гідророзрив, але зроблений навпаки: тиск спрямований не в свердловину, а із свердловини і утворення тріщин, які проводять газ, відбувається не за рахунок витрачання зовнішньої енергії, а за рахунок тієї, яка міститься у вугільному пласті.

От і все: цілі чіткі і завдання визначені. За справу, панове! Досить платити данину духам підземного царства - одне людське життя за мільйон тонн вугілля. Наша свобода від важкої данини і своєї ганебної бідності - у звільненні вугільного метану з ув'язнення у злагоді з природою.