Некоторые проблемы газодинамических явлений в угольном массиве в контексте нелинейной неравновесной термодинамики

На основе современных концепций нелинейной неравновесной термодинамики сформулированы физические модели газодинамических явлений в угольном массиве. Physical models of gas-dynamic phenomena in coal massif are formulated on the basis of the modern concept of nonlinear nonequilibrium thermodyn...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Геотехническая механика
Date:	2013
Main Authors:	Булат, А.Ф., Дырда, В.И.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2013
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59413
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Некоторые проблемы газодинамических явлений в угольном массиве в контексте нелинейной неравновесной термодинамики / А.Ф. Булат, В.И. Дырда // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2013. — Вип. 108. — С. 3-31. — Бібліогр.: 27 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859804434072076288
author	Булат, А.Ф. Дырда, В.И.
author_facet	Булат, А.Ф. Дырда, В.И.
citation_txt	Некоторые проблемы газодинамических явлений в угольном массиве в контексте нелинейной неравновесной термодинамики / А.Ф. Булат, В.И. Дырда // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2013. — Вип. 108. — С. 3-31. — Бібліогр.: 27 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Геотехническая механика
description	На основе современных концепций нелинейной неравновесной термодинамики сформулированы физические модели газодинамических явлений в угольном массиве. Physical models of gas-dynamic phenomena in coal massif are formulated on the basis of the modern concept of nonlinear nonequilibrium thermodynamics.
first_indexed	2025-12-07T15:15:25Z
format	Article
fulltext	3 УДК 622.831.323 А.Ф. Булат, акад. НАНУ, д-р техн. наук, профессор В.И. Дырда, д-р техн. наук, профессор (ИГТМ НАН Украины) НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В УГОЛЬНОМ МАССИВЕ В КОНТЕКСТЕ НЕЛИНЕЙНОЙ НЕРАВНОВЕСНОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ Аннотация. На основе современных концепций нелинейной неравновесной термодинамики сформулированы физические модели газодинамических явлений в угольном массиве. Ключевые слова: динамические явления, газодинамические явления (ГДЯ), внезапные выбросы угля и газа (ВВ), выбросоопасные зоны (ВЗ), газовые явления (ГЯ) A.F. Bulat, Acad. NASU, D. Sc. (Tech.), Professor V.I. Dyrda, D. Sc. (Tech.), Professor (IGTM NAS of Ukraine) SOME PROBLEMS OF GAS-DYNAMIC PHENOMENA IN COAL MASSIF IN THE CONTEXT OF NONLINEAR NONEQUILIBRIUM THERMODYNAMICS Abstract. Physical models of gas-dynamic phenomena in coal massif are formulated on the basis of the modern concept of nonlinear nonequilibrium thermodynamics. Keywords: dynamic phenomena, gas-dynamic phenomena, sudden coal and gas emissions, emission- dangerous zones, gas phenomena Оглавление 1. Предисловие 2. Современное состояние изученности проблемы газодинамических явле- ний 3. Краткие обобщения для дальнейших исследований 4. Кластерно-синергетическая модель газодинамических явлений 5. Замечания к модели 6. Некоторые важные предпосылки 7. Список литературы 1 Предисловие Газодинамические явления (ГДЯ) в угольных пластах – грозное природно- техногенное явление. Здесь природные факторы и человеческая деятельность слились в единый коллективно-функциональный процесс и вероятность в полной мере правит бал: случайные совпадения многих факторов и малые возмущения извне приводят в действие таинственный механизм спонтанного лавинообразного выброса угля и газа из особых выбросоопасных зон. По мнению многих специали- стов без человеческой деятельности газодинамические явления не происходят: это похоже на спящую красавицу – «спящая опасность», которую неосторожно разбудили, совершенно не ожидая последствий, а если и ожидали, то уголь всё- таки добывать нужно. Динамические и газодинамические явления в шахтах – проблема междис- циплинарная, охватывающая научные, технические, социальные, экономические и правовые вопросы. Её важные составляющие: понятие причин и механизма явле- ний (построение физических и математических моделей); динамика массива и © Булат А.Ф., Дырда В.И., 2013 ISSN 1607-4556 4 прогнозирование его состояния; разработка технологий безопасной добычи угля. В настоящей работе рассматривается первая составляющая проблемы. Исследуемой проблеме посвящена довольно обширная литература; часть её цитируется ниже [1-27]. Авторы разделяют мнение многих учёных по вопросам терминологии и ос- новных понятий при исследовании указанной проблемы. Терминология: динамические явления; газодинамические явления (ГДЯ); внезапные выбросы угля и газа (ВВ); очаги опасности ГДЯ; выбросоопасные зоны (ВЗ), газовые явления (ГЯ); зоны (полости) ГДЯ. Цель работы 1. На основе современных подходов нелинейной неравновесной термоди- намики сформулировать физические модели ГДЯ с учётом доступной эксперимен- тальной информации. 2. Показать, что при возникновении ГДЯ как природно-техногенного явле- ния в ряде случаев необходимо учитывать его важную природную составляющую, независимую от техногенной деятельности человека. Такими природными явле- ниями могут быть землетрясения, тектонические землетрясения, прорыв газов из глубин горного массива и т.д. В этом случае для оценки деятельности операторов необходимо использовать те же правовые нормы, что и для оценки других при- родных катастроф: землетрясений, торнадо, засухи и т.д. 2 Современное состояние изученности газодинамических явлений Общепринятые заключения:  Динамические явления: шелушение, стреляние, горные удары, техногенные землетрясения.  Газодинамические явления (ГДЯ) – внезапные выбросы, внезапные высыпания и отжимы, сопровождающиеся газовыделением, прорывы газа.  Горно-тектонический удар и техногенное землетрясение – мгновенная под- вижка пород по тектоническому нарушению или прорастание крупной (магист- ральной) трещины в массиве с образованием оперяющих трещин. Одна из при- чин ВВ – тектоническая нарушенность массива.  Некоторые различия: отжим – нет мелкой фракции, отсутствует повышенная температура, время t = 0,2 с; длина зоны  = (0,51,0) м, газовыделение; ГДЯ – наличие мелкой фракции (вплоть до наночастиц); t = (530) с, аномальное газо- выделение; повышенная температура.  ГДЯ – процесс спонтанного лавинного самоподдерживающегося разрушения и перемещения угля; большинство ГДЯ происходит на крутых пластах со слабым и «перемятым» углём (тектонически «перемятым»). Также ГДЯ происходят у зон мелкой нарушенности пласта – разрывные формы микротектоники, мелкая пликативная складчатость, т.е. в местах, где наблюдается эффект задержки де- формаций и возрастания концентрации напряжений.  Причины ГДЯ: технологическая деятельность человека (95 %): 90 % – сотрясательные взрывы, 5 % – работа добывающих механизмов; малые возму- щения (А.Ф. Булат); скачкообразное изменение напряжённого состояния вслед- ствие техногенной деятельности (Ходот); тектонические напряжения; рост тре- щины при НДС (энергетическая теория Петухова и Линькова); превалирующая Геотехнічна механіка. 2013. 108 5 роль газовыделения, находящегося под высоким давлением; потеря устойчи- вости в локальных местах угольного массива; природные землетрясения.  Угли пластов, опасных по ВВ, отличаются по прочности, обладают «перемя- тостью» и наличием трещин тектонического происхождения.  Предвестники ВВ: повышение акустической активности; повышенная темпера- тура; задержка отжима пласта и сближения боковых пород; шелушение и «стреляние» пород на поверхности выработки; повышенное газовыделение и выход штыба при бурении шпуров.  Внезапные выбросы приурочены к узким зонам, площадь которых не превы- шает 5-10 % вынимаемой площади пластов [14]; по другим источникам  3 % [5].  При ВВ происходит взрывоподобное (но это не взрыв) газовыделение с выбро- сом в выработки метана (скорее смеси газов) и измельчённого угля, после кото- рого в массиве остаются характерные полости; в ряде случаев это может при- вести к крупным катастрофам [11, 12].  Имеется предположение о псевдосжижении как механизме выноса угля при ВВ: вынос угля подобен истечению сыпучей массы на пневмоподушке. 2.1 Исследование некоторых важных параметров 2.1.1 Образование зон высокодисперсного угля Экспериментально установлено, что при нагружении образцов угля при сдвиговых напряжениях образуются зоны высокодисперсного угля (10-50000 нм); процесс разрушения сопровождается эмиссионными явлениями (акустическими и электромагнитными импульсами); в этих зонах изменяется микропоровая структу- ра угля, состав угольного вещества, электризация поверхностей, тепловые эффек- ты (температура повышается), выделение газа – в результате стабильная система становится метастабильной; при разгрузке образца быстро развиваются микро- трещины, заполненные метаном [10]. Авторы работ [8, 10, 20] отметили следующее:  зоны высокодисперсного угля являются зонами нестабильности (переход мета- на из связанного состояния в свободное при разгрузке пласта) – эти микрозоны содержат наночастицы (до 10 %) и оказывают существенное влияние на пове- дение системы в макромасштабе;  в зонах интенсивного пластического деформирования и разрушения пород (в зонах тектонических разломов) образование высокодисперсных фракций (осо- бенно при объёмном сжатии) обладает автомодельностью и зависит от фрак- тальной размерности раздробленного материала; df = 2,58; доля частиц < 1 мкм составляет 0,1 %;  дезинтеграция угля при объёмном сжатии предполагает более высокую долю высокодисперсных частиц;  наличие пьезоэлектрических свойств угля способствует цепному характеру об- разования трещин и созданию акустических полей, которые могут вызывать ка- витацию в тонких жидкостных плёнках на горной породе [6]; многие авторы от- рицают цепной характер образования трещин. 2.1.2 Феномен аномального выделения метана при ГДЯ По мнению авторов работ [8, 20] на первой стадии ВВ разрушение угля про- исходит в условиях объёмного НДС с дополнительным (3-7 т/м3) образованием метана (механико-химический эффект) за счёт частичного диспергирования али- фатической части вещества угля на микроуровне. ISSN 1607-4556 6 На второй стадии разрушения угля за счёт энергии выделяющегося газа происходит отрыв; развитие и образование микротрещин происходит в условиях свободных для деформации; разрушение носит множественный взрывной харак- тер во всем объёме блока и приводит к высокой степени диспергирования угля, в том числе и на молекулярном уровне с образованием метана (до 51 м3/т и боль- ше; в ряде случаев до 200 м3/т). При исследованиях газовыделения рядом авторов отмечено следующее:  основной объем газа при выбросе выделяется непосредственно из разрушаю- щегося угля [8];  механохимический эффект образования метана наблюдается при разрушении угля сдвигом в условиях неравнокомпонентного сжатия и высоких напряжений, при минимальном главном напряжении 3 > (57) МПа. Эффект начинает фик- сироваться при достижении максимальным главным напряжением 1 значений 0,7-0,8 от предела прочности угля и тем сильнее, чем более пластичным являет- ся процесс разрушения (коэффициент спада напряжений в запредельной облас- ти s > 0,75) [8];  разрушение угля при внезапном выбросе угля и газа происходит с разрывом наиболее слабых связей в «бахроме» угля, в том числе отрывается большое ко- личество метильных групп – СН3. Эти химически активные радикалы, объединя- ясь с атомами водорода, образуют метан, причём дополнительно образован- ные объёмы метана по оценкам реальных выбросов составляют 4050 м3/т [8];  в процесс разрушения угольного массива при внезапном выбросе угля и газа основное количество метана (отнесённое к единице выброшенного угля), часто превышающее газоносность угольного пласта в несколько (иногда в 710 раз); газ выделяется непосредственно из разрушающегося и выбрасываемого угля [8];  скорость выхода метана из угля определяется возможностями фильтрационной системы, которая зависит от системы трещин и горного давления;  установлено, что механические воздействия на угли сопровождаются химиче- скими превращениями с разрывом молекулярной цепи и выделением газооб- разных продуктов; такая механохимическая деструкция приводит к мелкому дроблению угля (фракции размером 0,08 мм могут составлять 1437 % массы выброса); при этом сокращается доля диффузии и фильтрации, а процесс газо- выделения становится мгновенным, поэтому наряду с тремя факторами выбро- соопасности (напряжение, газ и физико-механические свойства) следует учиты- вать структурно-химический фактор [6]. 2.1.3 Температурные эффекты в угольном пласте Ряд авторов экспериментально подтверждают наличие повышенной темпе- ратуры в зоне выброса. В частности, авторы работ [8, 20] отмечают следующее:  повышение температуры угольного пласта является информативным показате- лем: с его помощью можно выделить зоны повышенного горного давления и зоны разгрузки и дегазации. Повышение температуры угля связывают с сорбци- ей «дополнительного» метана, образовавшегося в результате механохимиче- ских процессов деструкции наиболее слабых связей в угле; многими авторами отмечается статическая связь изменения температуры призабойной зоны с вы- бросоопасностью, но пока нет теории, объединяющей и объясняющей весь экс- периментальный материал; Геотехнічна механіка. 2013. 108 7  экспериментально в условиях объёмного сжатия (образцы угля 4060 мм, дав- ление до 5 МПа) отмечено повышение температуры Т  3 С; объяснение – до- полнительная сорбция метана в процессе разрушения угля;  повышение температуры на стенке контрольной скважины на расстоянии 11,7 м от поверхности забоя Т = 13,3 С; (средняя температура в забое 30 С), что свя- зано с сорбцией метана;  исследования показали, что в призабойной зоне угольного пласта (3-10 м от за- боя) может образоваться техногенный очаг выбросоопасности, который хоро- шо определяется по изменению температуры от зоны концентрации напряже- ний до груди забоя;  образование природно-техногенного очага опасности характеризуется резким ростом концентрации потенциальной энергии упругого сжатия в призабойной зоне угольного пласта и механохимическим процессом генерирования допол- нительного количества метана из угля в условиях высоких напряжений объ- ёмного сжатия и деформирования. Расчёты, выполненные для различных пла- стов Донбасса показали, что в очаге выбросоопасности может образовываться до 8 м3/т метана перед очистным забоем и до 56 м3/т перед подготовитель- ным. Этого дополнительного метана достаточно, чтобы ситуация, с учётом воз- росшей нарушенности пласта, стала опасной по внезапным выбросам угля и га- за [8]. 2.2 Информативные параметры  Очаги (зоны) опасности ГДЯ: полости грушевидной или причудливой формы; размер 5-15 м (иногда 10-100 м).  Интенсивность ГДЯ: от 10 кг до 14000 т (1967 г., 800 м, выработку завалило на 0,8); 5-50 т – 70 % всех случаев; больше 1000 т – редко.  Структура материала при выбросе: больших глыб нет; «бешеная мука» – до 40 %; наночастицы – до 10 %; в основном мелкий уголь 0,20,4 мм (есть 2-4 мм).  Локальность и частота выбросов: 2-3 т часто; больше 100 т – редко.  Газовыделение: средняя насыщенность газом пласта – 19 м3/т; при ГДЯ – до- полнительно 40-60 м3/т (Воркута – 200 м3/т, Донецк – 600 м3/т).  Время ГДЯ: продолжительность – 5-10 с.  Давление в пласте: q = 25-30 атм. (иногда – 50 атм.): при q = 2-5 атм. может быть ГДЯ, и не быть при 25 атм. (т.е. давление не является определяющим).  Механические характеристики угля: коэффициент диссипации энергии  = 0,3; объёмный модуль сжатия К = (34)Е; фрактальность нормального угля df = 2,82,9; из зоны ГДЯ – df = 2,58.  Температура: если в забое 30-35С, то превышение температуры в зоне ВВ Т = 20-30 С; в забое есть зоны с раскалённым углём; на расстоянии 12 м от за- боя в скважине Т = 12 С [8].  Полость после выброса: поверхность забита высокодисперсными частицами, т.е. трещины закрыты, и доступ газа из пласта не происходит [8].  Наличие электротехнических полей: при экспериментальном сжатии образца наблюдается всплеск сигнала электричества (А.Ф. Булат). 2.3 Физические модели газодинамических явлений Согласно современным представлениям, опасность возникновения газоди- намических явлений в шахтах определяют три основных фактора [9]: ISSN 1607-4556 8  горное давление (напряжённо-деформированное состояние массива горных пород);  газоносность и давление газа в массиве горных пород;  физико-механические и физико-химические свойства, геологическое строение и тектоническая нарушенность горных пород. 2.3.1 Геологические модели  В течение миллионов лет вследствие многократных тектонических подвижек земной коры в массиве сформировалось и действует неравномерное поле рас- пределения напряжений. Такой природный тектонически нарушенный горный массив способен порождать ГДЯ при нарушении его равновесного состояния. Главный источник сил, инициирующий ГДЯ – высокий уровень действующих тектонических напряжений [13, 15].  Доставка метана из глубин в рабочие горизонты шахт осуществляется по кана- лам дегазации, в качестве которых выступают «тела брекчирования» (Э.В. Сокол); на многих из них следы древних геологических пожаров; таковыми могут быть и «роевые скопления» очагов землетрясений малой мощности (А.Ф. Еманов). Это объясняет появление больших объёмов и выход горящих га- зов из недр при землетрясениях; показывает также древность (геологический возраст) зон ВВ – «человеческого фактора не было, а пожары и взрывы уже были» [11, 12]. 2.3.2 Геомеханическая модель возникновения ГДЯ Газодинамические явления происходят вследствие потери устойчивости призабойной зоной угольного пласта и перехода к лавинному разрушению при совместном действии газа и горного давления во время подвигания забоя подго- товительной или очистной выработки. Основным фактором, определяющим спо- собность массива горных пород к самоподдерживающемуся лавинному разруше- нию является запас потенциальной упругой энергии сжатых пород и содержаще- гося в них газа. При этом плотность (уровень) упругой энергии во всем объёме разрушающегося массива горных пород должна быть некоторой критической для данного геоматериала, условий напряжённо-деформированного состояния, вели- чины энергоёмкости разрушения А [8]. Явление самоподдерживающегося лавинного разрушения происходит за счёт высвобождения (сброса) избыточной упругой энергии горных пород (и газа, при внезапных выбросах) в разрушающем массиве горных пород. Условием ини- циирования лавинного самоподдерживающегося разрушения является быстрое образование новой свободной поверхности (при подвигании забоя горной выра- ботки) с сопутствующей ей волновой разгрузкой, в которой возникает волна раз- рушения при условии, если всегда плотность упругой энергии больше энергоёмко- сти разрушения W > A [8]. 2.3.3 Модель формирования природно-техногенного очага опасности динамических явлений в призабойной зоне угольного пласта По мнению авторов работ [8, 20] очаг формируется в области влияния гео- химической и тектонической нарушенности пласта в том случае, если затруднено деформирование призабойной зоны угольного массива в сторону забоя, и харак- теризуется резким ростом концентрации потенциальной энергии упругого сжатия Геотехнічна механіка. 2013. 108 9 и механохимическим процессом генерирования дополнительного метана из угля при его разрушении. Эффект образования метана наблюдается в условиях нерав- нокомпонентного сжатия. Авторы считают, что на выбросоопасном пласте гори- зонта 790 м в забое очистной выработки (Донбасс) им по изменению температу- ры удалось зафиксировать очаг подготовки динамического явления [22]. 2.3.4 Модель разрушения очага опасности ГДЯ По данным физического моделирования установлено [8], что разрушение газонасыщенного угля, находящегося в объёмном неравнокомпонентном на- пряжённом состоянии (1 > 2 = 3) начинает происходить при выполнении усло- вия 3/1 = С  0,33, где 3 и 1 – минимальное и максимальное «эффективные» напряжения, которые определяются как разность между внешними напряжения- ми , приложенными к твёрдому веществу угля и внутрипоровым давлением газа Р:  =  – mP, где m – коэффициент, зависящий от тектонической нарушенности угля. При С > 0,33 разрушение не происходит и возможно развитие процесса дальнейшего роста концентрации напряжений и, соответственно, упругой энергии в массиве. Иными словами зависимость разрушающего напряжения 1max от 3 можно представить в виде соотношения 1max  33. Применительно к объяснению механизма формирования очага опасности газодинамических явлений – это означает, что в условиях геологических наруше- ний, где затруднено деформирование призабойной части массива в сторону за- боя, происходит возрастание напряжений 3, действующих со стороны забоя, что влечёт за собой создание условий для ещё более сильного возрастания нормаль- ных к угольному пласту напряжений 1 вблизи обнажения пласта забоем. В ре- зультате этих процессов изменения напряжённого состояния пласта происходит резкое увеличение опасности возникновения газодинамических явлений. Механизм потери устойчивости и перехода обычных видов хрупко- пластического разрушения к лавинному самоподдерживающемуся в первом при- ближении может быть представлен следующим образом. В натурных условиях во время подвигания горной выработки в призабойной зоне угольного пласта проис- ходит процесс снятия напряжения сжатия 3 по оси ориентированной в сторону забоя. Этот процесс сопровождается скачкообразным падением прочности угля на более низкий уровень в зависимости от величины снимаемого бокового напряже- ния. Данный момент является характерной точкой бифуркации, определяющей, по какому пути пойдёт дальше развитие процесса разрушения – обычного трещи- нообразования и отжима лавинного самоподдерживающегося разрушения или характерного для газодинамических явлений. Экспериментально установлено, что критериальными условиями, опреде- ляющими возможность возникновения лавинного разрушения, являются следую- щие два. Во-первых, запас реализуемой потенциальной геоэнергии (упругой энер- гии сжатия угля при горных ударах и суммы упругой энергии сжатия и энергии вы- деляющегося газа при внезапных выбросах угля и газа) должен быть выше (0,30,5) МДж/м3. Во-вторых, характерная скорость сброса бокового напряжения не должна быть ниже (13) МПа/с. Дополнение к модели: нетронутый метанонасыщенный угольный пласт яв- ляется равновесной системой «уголь-метан-природная влага». Под влиянием тех- ногенного воздействия (изменение НДС) в нем происходят необратимые струк- турные изменения на уровне микроструктур, содержащих молекулы растворенно- го метана [8]. ISSN 1607-4556 10 2.4 Модели газодинамических явлений (по работам ИГТМ НАН Украины) 2.4.1 Модель образования зон ГДЯ  В угольном пласте в течение геологического времени под влиянием тектониче- ских и геохимических процессов формируются области с аномальными физи- ко-химическими и механическими свойствами на всех уровнях структурной ор- ганизации вещества [3].  Геологические нарушения являются участками локального многократного (во времени) повышения интенсивности действия на уголь механических напряже- ний ( и Т измерить невозможно).  Уголь в зонах ВВ отличается от «обычного» угля фрактальностью, большей тре- щиноватостью, но молекулярная перестройка не замечена [3].  Нетронутый угольный пласт находится в термодинамическом равновесии; при разработке происходит изменение термодинамических параметров, НДС и температуры, а сам пласт приобретает новое равновесное состояние за счёт из- менения метаморфизма [3]. 2.4.2 Модель механизмов ГДЯ Модель – энергетическая теория – внезапные выбросы происходят под действием напряжённого состояния горного массива и давления газа; освобожда- ется потенциальная энергия и газ отбрасывает разрушенный уголь в выработку. Термобарогеохимическая модель: на выбросоопасных участках при выем- ке угля при действии сжимающих напряжений система «уголь-газ» из метаста- бильного состояния переходит в неустойчивое: этот процесс сопровождается са- моразрушением системы и высвобождением газа из микродефектов; далее вы- брос по модели Христиановича. К этой модели позже были добавлены механоэлектрические и механохими- ческие эффекты – сопутствующие явления (электрические заряды, электронная плазма, механохимические реакции и т.д.) [3]. Между зоной коллектора и горной выработкой возникают существенные градиенты напряжений и давления газа и если механическая прочность перемыч- ки (пробки) недостаточна, происходит лавинообразное истечение метана [3]. Примечания к моделям ГДЯ  Известно, что угли газонепроницаемы, однако если нет проницаемости, то нет и фильтрации. Если метан находится только в свободном состоянии в некоторой пустоте, то при ВВ будет воронка, а грушевидная форма может появиться только в результате образования древовидной системы трещин [3].  По мере повышения степени метаморфизма вещества угля, изменялось и со- отношение его фракций, и наличие свободного метана в порах и трещинах; угольный пласт во времени подвергался также горному давлению (с изменени- ем градиента во времени), тектоническим землетрясением и т.д., что оказывало влияние на метаногенерацию. Таким образом, угольный пласт не оставался по- стоянным во времени ни по структуре, ни по газоносности. 2.4.3 Модели угля  Природный уголь – сложный продукт длительного воздействия на растительные остатки биологических, химических и тектонических факторов в условиях высо- ких температур и давлений.  Уголь изначально обладает пустотами – поры (открытые и закрытые), трещины. Геотехнічна механіка. 2013. 108 11  Природный уголь представляет собой осадочную породу, в состав которой вхо- дят неорганические кристаллические минералы и органические углесодержа- щие вещества [3].  Метаморфизм углей сопровождается низкотемпературным термохимическим распадом органического вещества (ОВ); преобразования происходят произ- вольно и ускоряются с повышением температуры.  Природная газонасыщенная система «уголь-газ-влага» – сложное полидисперс- ное микропористое образование, динамические характеристики которого могут изменяться в диапазоне трёх порядков; это наноматериал.  Композит «уголь-газ-влага» – активная нелинейная система, которая под внеш- ним воздействием претерпевает цепь структурно-композиционных неравно- весных фазовых переходов и химических превращений, сопровождаемых вол- новыми процессами различной природы, в том числе упругими волнами на- пряжений и деформаций [3]. 2.4.4 Модели метаногенерации Термин «метаногенерация» уместно применять только к процессам, время протекания которых не превышает периода техногенного вмешательства в пласт. Три модели метаногенерации:  Первая (геологическая) – образование угля и накопление метана происходило в течение сотен миллионов лет из органических остатков в сопровождении воды при высоких колебаниях давления и температуры.  Вторая (геологическая) – глубинное образование газа с последующей его диф- фузией в сторону земной поверхности и накоплением его в угольных пластах благодаря большой сорбционной способности.  Третья модель – генерация метана в угольном пласте происходила под воздей- ствием природных и техногенных факторов. Четыре гипотезы метаногенерации  Первая – под влиянием горного давления.  Вторая – физико-химическая гипотеза – метан образуется под давлением техно- генных и природных тектонических процессов в пласте.  Третья – метан образуется в результате каталитических процессов в угольном пласте.  Четвёртая (основная): Зону внезапного выброса следует рассматривать как «котёл» генерации ме- тана, о чем свидетельствует время выброса (5-30) с, характерное для индукцион- ного периода разрывов и перестройки химических связей и тот факт, что монолит- ный уголь после выброса распыляется на микронно-дисперсные частицы.  В угле имеются графитоподобные включения, связанные между собой углево- дородной бахромой, характерной для алифатических групп; при расходе ба- хромы образуется метан (при температурах > 30 C); при этом энтропия быстро возрастает; процесс происходит спонтанно (чем выше температура, тем быст- рее процесс).  Чем больше глубина залегания пласта, тем больше накапливается бахрома, склонная к расходу (при разгрузке массива); под термином «расход бахромы» подразумевается химическая генерация метана.  Комплексными атомарно-молекулярными исследованиями, подтверждёнными физическим моделированием, установлен механизм аномальных газопроявле- ний при разработке угольных пластов, который состоит в генерации метана в ISSN 1607-4556 12 результате механохимической реакции его синтеза, которая протекает при де- струкции алифатической части угольного вещества, благоприятных термодина- мических условиях и наличии соответствующих катализаторов реакции [3].  За счёт высокого давления газа образуется микротрещина, рост которой со- провождается механоэлектрическими явлениями, генерацией метана и его до- полнительной десорбцией, ростом давления.  За счёт давления метана, который переходит из связанного состояния в свобод- ное на берегах трещин в процессе их роста, может формироваться древовидная иерархическая сеть трещин (транспортных каналов). При определённых геоме- ханических условиях (горное давление) трещины могут развиваться в режиме «самоподдержания», т.е. их рост будет обусловлен только выделением мета- на, переходящего на берегах трещин из связанного состояния в свободное. Свободный метан, изначально находящийся в порах, способен обеспечить лишь скачкообразное приращение длины трещины. Главным условием является дос- таточная разгрузка пласта, высокая метаноносность угля и низкое значение удельной энергии образования свободной поверхности. Примечания к метаногенерации  Процессы образования метана протекали одновременно с формированием угольных пластов и преобразованием первичного органического вещества.  В системе «уголь-порода-метан-влага» газ находится в трёх состояниях: свобод- ном, сорбированном (связанном) и в виде твёрдого раствора.  Процесс образования метана до конца не ясен: версия первая – процесс пре- вращения органического вещества в уголь под действием , Т; вторая – термо- динамическая модель формирования метана (молекулярного метана в природе не существует [3].  Метан образуется в результате низкотемпературного крекинга угольного орга- нического вещества (ОВ) на протяжении геологических эпох; большинство ме- тана накапливается в зонах (они могут быть зонами вторичной механохимиче- ской активации), генерирующими газ. Из практики известно, что зоны – это об- ласти, где происходит концентрация механических напряжений при разрывных и складчатых деформациях угольных пластов; с этими зонами связаны ГДЯ.  Существенный вклад в выделение метана вносят механоэлектрические эффек- ты, но они не являются определяющими. 3 Краткие обобщения для дальнейших исследований 1. Проблема ГДЯ возникла более 100 лет тому, однако её актуальность не уменьшается особенно в связи с добычей угля на больших глубинах (ш. Скочинского – больше 1200 м, ш. Засядько – больше 1300 м). 2. С ростом глубины шахт механизм ГДЯ изменяется, изменяется также ме- ханизм разрушения угля и газовыделения – эти факторы пока недостаточно учи- тываются. 3. Результаты ряда исследований (особенно по горному давлению, темпера- туре, давлению газа и т.д.) не обладают достаточной полнотой, а в ряде случаев носят противоречивый характер. 4. К результатам исследований на образцах следует относиться очень осто- рожно, особенно при изучении газовыделения т.к. экспериментальные образцы не отражают структуру угольного пласта; метан в реальном пласте образовался в процессе метаморфизма органического материала пласта, т.е. в уголь он проникал изнутри в течение геологического времени. Геотехнічна механіка. 2013. 108 13 5. Динамические и газодинамические явления отличаются большим разно- образием и временным фактором возникновения (геологическое и историческое время) и поэтому вряд ли для их описания можно использовать универсальные модели. 6. В последние годы в рассматриваемой области количество монографий возросло, однако обобщения носят фрагментарный характер и не обладают пол- нотой. К тому же выводы зачастую противоречивы и лишь подчёркивают индиви- дуальность научной школы: нет обобщающих физических моделей, всегда акцен- тация на одном механизме ГДЯ – либо подробно рассматривается горное давле- ние, либо газовыделения. Работ же, где эти механизмы рассматривались бы как единое целое, практически нет. 7. Необходимо признать сложность проблемы возникновения и эволюции ГДЯ как с точки зрения построения адекватных физических и математических мо- делей, так и с точки зрения разработки технологий безопасной добычи угля. Мно- гие физические явления в угольном массиве не укладываются в рамки современ- ной горной науки. Поэтому на современном этапе изучения таких грозных при- родно-техногенных явлений, как ГДЯ, необходимо «… понять постижимое и спо- койно принять непостижимое» (Гёте). 4 Кластерно-синергетическая нелинейная эволюционно-структурная модель газодинамических явлений в угольном массиве Прежде чем перейти непосредственно к модели, рассмотрим её основные составляющие. 4.1 Обобщённая феноменологическая модель угольного массива Природная газонасыщенная система «уголь-газ-влага» рассматривается как:  осадочная порода, в состав которой входят органические и неорганические ве- щества;  блочная геосфера, наделённая иерархией структурных уровней вплоть до нано- частиц; композит, обладающий нелинейными свойствами;  трещинно-пористая гетерогенная многофазная среда, насыщенная метаном (метан в угольном массиве накапливался за геологические периоды времени);  упруговязкопластическое твёрдое тело;  нелинейная существенно диссипативная анизотропная среда;  сложное полидисперсное микропористое образование, динамические характе- ристики которого могут существенно изменяться под воздействием давления и температуры;  упруго-наследственная структурно-эволюционная среда, параметры которой изменяются со временем существования. 4.2 Понятия «пространство-время» для ГДЯ Нетронутый угольный пласт и очаги опасности существуют в геологическом времени: техногенная деятельность человека переводит их в историческое время, изменяя тем самым пространственно-временной континиум. Деятельность чело- века носит локальный характер, реакция пласта и очагов опасности также носит локальный характер. Все это позволяет для построения физических и математиче- ских моделей использовать классические теории (теорию упругости, МТДТ, тер- модинамику и т.д.), рассматривая поведение пласта и зон опасности в реальном времени. ISSN 1607-4556 14 4.3 Геологическая модель образования очагов опасности (зон ГДЯ) В угольном пласте в течение геологического времени вследствие много- кратно повторяющихся тектонических и геохимических процессов сформирова- лись области с аномальными физико-механическими и механохимическими свой- ствами на всех уровнях структурной организации вещества. Их образованию спо- собствовали: пространственно неоднородные поля напряжений и температур, ме- таногенерация, механохимические эффекты и т.д. Такие аномальные области об- разовались при движении и остановках магистральных трещин и обусловлены эффектами локальности и дискретности; в этих областях под действием горного давления и метаногенерации происходит изменение структуры угля, что приводит к повышению диссипации энергии системы «уголь-метан» и неизбежному повы- шению температуры. Такая природная область (зона, очаг опасности) может рас- сматриваться как квазизамкнутая (квазиконсервативная) термодинамическая сис- тема, находящаяся на некотором промежутке времени в квазиравновесном со- стоянии. Тектонические процессы, землетрясения и другие природные факторы могут изменять структуру угля и скорость выведения метана; однако, вследствие замкнутости системы и наличия горного давления зона сохранит свои параметры, превращаясь в «спящую опасность». С учётом накопленного практического опыта и результатов эксперимен- тальных исследований можно утверждать следующее:  очаги опасности в большинстве случаев связаны с зонами геологической нару- шенности (тектонические разрывы, трещины и т.д.); тектонические трещины в горных породах распространяются веером, отсюда наличие очагов опасности различного размера: малые трещины – малые очаги, большие разломы – боль- шие очаги опасности;  очаги опасности возникли в геологическое время (т.е. млн. лет); однако под действием тектонических напряжений могут образовываться и в историческое время;  горное давление может сомкнуть трещину, но очаг опасности благодаря давле- нию газа (наверное, в том числе и дополнительного за счёт метаногенерации) останется;  в случае природных катаклизмов под действием силовых полей различной ин- тенсивности в условиях объёмного сжатия пласта скорость метаногенерации увеличится, что приводит наряду с другими механохимическими эффектами к повышению диссипации энергии и температуры; накачка энергии в пласт при- ведёт к дроблению угля и появлению тонкодисперсных фракций;  с увеличением глубины шахт количество очагов опасности может возрастать, природа их образования примерно одинакова; однако механизм газодинами- ческих явлений и внешние их проявления могут быть разными (удар, внезапный выброс угля и газа, высыпание угля, выделение газа и т.д.);  в очагах опасности температура всегда выше и все механохимические реакции проходят быстрее;  очаги опасности различной интенсивности и различных геометрических разме- ров существуют как бы «сами по себе», резко отличаясь по своим свойствам от нетронутого угольного массива; проявляются они в большинстве случаев при техногенной деятельности человека; часть из них проявляется также от природ- ных катаклизмов; Геотехнічна механіка. 2013. 108 15  тектонические трещины могут возникать и в горном массиве; при достижении угольного пласта как диссипативной среды включается механизм взаимосвязи «диссипация-температура», благодаря чему образуются зоны с сильно из- менённой структурой, которые впоследствии при благоприятных условиях могут превратиться в зоны ГДЯ;  очаги опасности могут возникать и при техногенной деятельности; однако они будут отличаться от природных структурой угля, метаногенерацией и геометри- ческими размерами. 4.4 Термодинамическая модель образования и разрушения (эволюции) зон ГДЯ Как известно, физической причиной разрушения твёрдых тел является флук- туация внутренних термодинамических параметров. В этой связи становится оче- видным, что разрушение как процесс возникает в неравновесной области состоя- ний и носит эволюционный характер. Для построения термодинамической моде- ли длительного разрушения (эволюции системы) зон ГДЯ воспользуемся положе- ниями термодинамики необратимых нелинейных процессов. Онзагером было показано, что в области линейно неравновесных процессов имеет место вариационный принцип нелинейного рассеяния энергии (макси- мальной диссипации). Пригожин установил, что стационарные процессы характе- ризуются минимумом возникновения энтропии. В разное время Циглером и Дьярматти были предложены новые формулировки принципа минимального рас- сеяния энергии. Кроме того, было показано, что в отличие от принципа Онзагера принцип Пригожина справедлив только для стационарных процессов и в этом слу- чае эквивалентен принципу наименьшего рассеяния энергии. Таким образом, наиболее общим вариационным принципом термодинамики необратимых про- цессов является принцип наименьшего рассеяния энергии [1, 2]. Принцип Онзагера как наиболее общий для неравновесных процессов в приложении к разрушению ГДЯ можно сформулировать следующим образом: процесс разрушения протекает таким образом, что система стремится минималь- но диссипировать энергию внешнего воздействия. Принцип минимума производства энтропии позволяет сформулировать критерий эволюции, означающий, что система будет эволюционировать к стацио- нарному неравновесному состоянию. Полная эволюция при этом укладывается в термодинамический принцип и выражается соотношением   0.d dt dV  При этом следует учитывать, что линейная область является экстраполяцией равновесного режима и в ней наблюдается флуктуационная устойчивость систе- мы. Ситуация качественно изменяется при переходе системы в область нели- нейных неравновесных процессов, т.е. в область сильнонеравновесной термоди- намики. В этой области уже не существует такой общей функции Ляпунова, какой являлось производство энтропии для линейных процессов. Более того, за счёт внешних источников может происходить усилие флуктуации термодинамических величин, и тогда исчерпывающее описание системы невозможно провести без привлечения макроскопических величин. Как показал Пригожин [1], критерием флуктуационной устойчивости термо- динамических систем является выполнение условия ISSN 1607-4556 16 2 0, 2 х S t           где х – избыток продукции энтропии вследствие флуктуации; S (S – энтропия) – отклонение энтропии от равновесного значения флуктуаций. Сущность этого критерия в следующем: производная по времени отклоне- ния энтропии от равновесного состояния таких систем должна быть положитель- ной. Таким образом, рост диссипации энергии со временем обеспечивает устой- чивость сильнонеравновесных систем, и сами системы становятся все более упо- рядоченными. Отсюда видно, что необратимое разрушение системы (или эволю- ционное изменение структуры) начинается тогда, когда нарушается условие флук- туационной устойчивости. Именно такие явления имеют место для открытых сис- тем, в которых идут нелинейные необратимые процессы и разрушение материала (изменение структуры). Таким образом, разрушение является одним из проявлений флуктуацион- ной неустойчивости внутренних термодинамических параметров системы в нели- нейно неравновесных процессах, каковыми являются достаточно интенсивные ус- ловия нагружения (в рассматриваемом случае горное давление). Очевидно, что нелинейность процесса разрушения обусловлена взаимосвя- зью роста повреждений с общим уровнем повреждённости, т.е. в основе термо- динамики разрушения лежит автокаталитический механизм. Изложенная выше флуктуационно-диссипативная теорема устанавливает также связь между уровнем флуктуации в термодинамической системе и дисси- пацией энергии. Следовательно, разрушение является сильнонеравновесным термодинами- ческим процессом автокаталитического типа. В целом процесс разрушения как эволюционный по своей сущности удовлетворяет двум основным требованиям: наличию автокаталитического механизма роста повреждений, что является осно- вой сильной неравновесности процесса разрушения и эволюции материала; отсут- ствию периодичности автокаталитического процесса, что обеспечивает однона- правленную эволюцию материала. Рассмотрим некоторые общие аспекты теории динамических систем с по- вреждённостью в контексте исследований процессов разрушения угля. Сильнонеравновесные состояния возникают тогда, когда динамика процес- сов имеет нелинейный характер. Эбелинг по этому поводу отмечает, что при больших отклонениях от равновесия, описываемых нелинейными уравнениями, возможно существование нескольких стационарных решений. Исследуя их устой- чивость, можно найти решение, которое имеет физический смысл, т.е. устойчиво по отношению к флуктуациям. Нестабильные состояния, напротив, характеризуют- ся увеличением флуктуации (усилением), и система стремится перейти в новое стабильное состояние. Конечное состояние вполне может обладать более высо- кой степенью упорядоченности и соответственно более низкой симметрией. В механике разрушения угля бифуркация имеет место при переходе от по- степенно-кинетического этапа разрушения к лабильному разрушению, зачастую связанного с появлением магистральной трещины, причём этот переход физиче- ски обуславливается потерей устойчивости материала по отношению к опре- делённым флуктуациям, которые, усиливаясь за счёт внешних и внутренних ис- точников и диссипируя их энергию, являются основной причиной разрушения. Фи- зической причиной бифуркации является действие в системе флуктуаций, устой- чивость к которым теряет система, а так как флуктуации носят случайный характер, Геотехнічна механіка. 2013. 108 17 то в точке бифуркаций возрастает роль случайных факторов. Известная роль слу- чайных дефектов в механике разрушения находит своё качественное объяснение в рамках концепции бифуркаций. Взаимосвязь случайного и закономерного для диссипативных структур отмечалась в работах Пригожина. Он указывал, что эво- люция таких структур могла бы проходить через ряд неустойчивостей, возникаю- щих вследствие флуктуаций определённых типов (стохастических элементов), с последующей детерминистической эволюцией к новому типу режима. Порядок через флуктуации в этом случае всегда подразумевает как макро-, так и микроско- пический элементы. следовательно, как случай, так и закон. Таким образом, закономерности разрушения углей носят ярко выраженный нелинейный характер. Нелинейные уравнения, как известно, имеют множество решений даже для заданных граничных внешних условий. Каждое такое решение представляет собой определённую кинетику процесса разрушения. Однако это не означает, что разрушение при заданных условиях может происходить по различ- ным законам. Реализуется кинетика, наиболее устойчивая к флуктуационным от- клонениям термодинамических величин. Устойчивой в заданных условиях нагру- жения будет кинетика X(t), для которой малое отклонение X(t) вызовет прираще- ние продукции энтропии S(t), удовлетворяющее критериальному условию При- гожина. При непрерывном изменении параметров разрушения установившаяся ки- нетика может потерять свою устойчивость, и тогда произойдёт скачкообразное изменение закономерности разрушения. Точки в фазовом пространстве внешних параметров разрушения, при которых происходит скачкообразное изменение ки- нетики, являются точками бифуркаций решений нелинейных уравнений разруше- ния. Физически прохождение через точки бифуркаций означает качественное из- менение в согласованном поведении отдельных макроскопических систем. Уси- ление внешнего нагружения означает усиление скорректированности в поведении подсистем и ускорение процесса разрушения. Известно, что в нелинейной системе ничтожные причины при известных об- стоятельствах могут произвести значительное действие. По терминологии Томп- сона [1], такое поведение называется катастрофой, или ветвлением решения (би- фуркацией). Согласно Шлеглю, в таких точках время затухания флуктуаций беско- нечно велико. Переход от режима, где имеется одно устойчивое стационарное со- стояние, к режиму, где нет устойчивых стационарных состояний, в терминологии Томпсона называется катастрофой типа сборки (рис. 1). Элементарная катастрофа имеет следующую структуру и название элемен- тов: поверхность отклика, пространство управления и пространство переменных состояния. Для рассматриваемого случая механики разрушения угля к пространству пе- ременных состояния можно отнести параметры, характеризующие изменения структуры материала, эволюционирующего во времени, т.е. повреждённость р; к пространству управления – параметры, определяющие процессы разрушения: по- ле напряжений, поле температур от диссипативного разогрева и т.д. В нашем примере можно выделить два основных случая. 1. Если пространство управления одномерно и пространство переменных состояния также одномерно, то бифуркационное множество представляет собой точку Р на оси пространства управления (рис. 1, а), а Z-образная кривая имеет на- звание кривой отклика. На кривой чётко наблюдаются зоны устойчивого и неус- тойчивого состояния системы, т.е. локального объёма материала. ISSN 1607-4556 18 2. Bторой случай пре- дусматривает, что про- странство управления дву- мерно (например, напря- жение  и температура Т), а пространство переменных одномерно (как и в первом случае это может быть по- вреждённость р). В этом случае бифуркационное множество представляет собой сборку, а точка ката- строфы – это точка сборки (рис. 1, б). Такая модель доста- точно чётко позволяет по- нять физический смысл и механизм разрушения ло- кального объёма материа- ла. Таким образом, кине- тика разрушения ГДЯ во времени может проходить через ряд последователь- ных бифуркаций. Практическим прояв- лением такого скачкооб- разного изменения кинети- ки является переход от по- степенно-кинетического, т.е. метастабильного, харак- тера разрушения ГДЯ к ла- бильному. Согласно Приго- жину, для любой системы, претерпевающей бифурка- ции, обнаруживается един- ство детерминистического и случайного элементов. Между точками бифуркаций поведение системы носит детерминистический характер. В самих же точках би- фуркаций существенно возрастает роль флуктуаций, причём выбор дальнейшего пути развития происходит флуктуационным, случайным образом. Очевидно, что нелинейность процесса разрушения обусловлена взаимосвя- зью роста повреждений с общим уровнем повреждённости, т.е. в основе термо- динамики разрушения лежит автокаталитический механизм. Как известно, нелинейные процессы не имеют определённой кинетики, т.е. при заданных внешних условиях нагружения может реализовываться несколько кинетик. В каждый момент времени реализуется та кинетика, которая наиболее устойчива по отношению к флуктуациям внутренних параметров. При нарушении этой устойчивости происходит смена кинетик. Из практики известно, что разруше- ние материалов проходит, как правило, через некоторое число эволюционных а – Z-образная кривая, характеризующая потерю устойчивости локального объёма угля б – Катастрофа типа сборки для случая разрушения локального объёма угля Рис. 1 Геотехнічна механіка. 2013. 108 19 этапов, последовательно сменяющих друг друга. Условия, при которых происхо- дит смена кинетик разрушения, получили название условий бифуркаций решений. Используя концепции термодинамики необратимых процессов и приведен- ную выше флуктуационно-диссипативную теорему, изложим основные положения механизма образования опасных зон газодинамических явлений в системе «уголь- метан». В этом случае систему можно представить как открытую систему, поддер- живаемую за счёт потока внешней энергии (горное давление, давление газа) в термодинамически квазиравновесном состоянии. Изменяя внешний поток (на- пример, горное давление), можно направлять эволюцию системы к состоянию, все более отличному от равновесного. При некотором критическом значении кон- центрации повреждённости произойдёт переход системы в неустойчивое состоя- ние. Этому положению в горном массиве соответствует переход от рассеянного разрушения к глобальному, характеризуемый появлением магистральной трещи- ны. В целом кинетику разрушения системы «уголь-газ», начиная от зарождения микротрещин до появления магистральных микротрещин можно представить следующим образом. Горное давление в сочетании с метаногенерацией способствует развитию в угольном массиве ансамбля различного вида микроповреждений, концентрация которых со временем достигает некоторого критического уровня. Такая эволюция системы в дальнейшем приводит к кооперативному эффекту: за счёт спонтанных флуктуаций, всегда присутствующих в угольном массиве, происходит слияние микротрещин, зарождение магистральной трещины и переход системы в новое состояние, которое можно назвать квазиупорядоченным. В рассматриваемой эволюционизирующей системе элемент беспорядка вносит повреждённость; «порядок» в необратимо протекающем процессе разру- шения системы выражается в корреляции между флуктуациями параметров по- вреждённостей, причём эти флуктуации распространяются на расстояния и вре- мена, превышающие микроскопические размеры. Именно это обстоятельство и является решающим в критической области при переходе системы от рассеянного разрушения к глобальному. Такой переход характеризуется неустойчивостью структуры: время релакса- ции системы на внешнее воздействие резко возрастает, флуктуации интенсивно- сти термодинамических параметров также растут. Это означает, что в области не- устойчивости флуктуации усиливаются за счёт притока энергии извне и сливаются в одну гигантскую флуктуацию, охватывающую весь объем системы. Такая флук- туация будет расти за счёт других более мелких флуктуаций до тех пор, пока не ус- тановится. Этому положению и соответствует магистральная трещина в горном массиве. В открытой системе «уголь-метан» в неравновесном состоянии внутреннее поле создаёт корреляции во времени между определёнными событиями – макро- трещинами. Другими словами, в системе под действием внешнего возмущения в области неустойчивости элементарные акты повреждённости в виде микротре- щин становятся коррелированными. Эта корреляция имеет пространственно- временную природу, и её результатом является зарождение и развитие магист- ральной трещины. Именно переход от рассеянного разрушения системы к гло- бальному можно в некотором смысле считать «квазифазовым» переходом, а саму магистральную трещину – новым структурным образованием системы. С опре- ISSN 1607-4556 20 делёнными допущениями можно полагать, что система переходит в некоторое со- стояние, более упорядоченное, чем предыдущее. Согласно критерию устойчивости Пригожина-Гленсдорфа для неравновес- ного состояния системы производная по времени от отклонения энтропии должна быть положительной. В этом случае устойчивость такой неравновесной системы обеспечивает рост диссипации со временем. Как отмечалось выше, в области неустойчивости неравновесной системы возникает гигантская флуктуация, охватывающая весь объем системы. Именно благодаря этой флуктуации появляется параметр порядка, который в дальнейшем диктует поведение упорядоченного состояния системы после критического пере- хода. Разрушение как эволюционный процесс является весьма сложным, и весьма затруднительно подобрать подходящий параметр порядка, который описывал бы функциональный порядок в системе в целом. Следует лишь отметить, что рост флуктуации, по-видимому, может достигать макроскопических размеров, сравни- мых с размерами части угольного пласта и что в этом процессе основную роль иг- рает случайность, особенно при выборе новой термодинамической ветви. Возможно, что как на микро-, так и на макроуровне процесс разрушения уг- ля осуществляется через ряд последовательных бифуркаций. В целом процесс разрушения как «вынужденная» эволюция системы, с одной стороны, является «историческим», так как определяется предшествующей ситуацией, с другой – это недетерминированный процесс, так как может сопровождаться рядом бифурка- ций. Система располагает множеством альтернативных возможностей эволюции, выбор которых непредсказуем. Выбор термодинамической ветви, по которой сле- дует эволюция системы после бифуркации, определяется случайно в момент неус- тойчивости. Рассмотрим лишь один случай неустойчивости системы – переход от рассе- янного разрушения к глобальному. Это весьма важный случай в существовании системы «уголь-газ» как единого целого. Любой акт разрушения материала на микро- или макроуровне обладает общностью, осуществляется через ряд бифур- каций и подчиняется одним и тем же термодинамическим законам. Сложность проблемы не позволяет рассмотреть эти элементарные акты разрушения в их взаимосвязи, не позволяет детализировать кинетический процесс зарождения и развития повреждений и тем более получить количественные характеристики это- го процесса, например, параметр порядка, критерий устойчивости и т.д. Однако такой подход позволяет с позиций термодинамики нелинейных не- равновесных систем объяснить механизм зарождения и эволюции опасных зон ГДЯ. Под действием внешних сил, благодаря автокаталитическому механизму за- рождения и развития повреждений (различного размера микротрещины, поры и т.д.), диссипативная система «уголь-газ» через ряд последовательных бифуркаци- онных процессов эволюционирует к новому равновесному состоянию; при неко- торой критической концентрации повреждённости происходит переход от рассе- янного разрушения к глобальному, в результате чего появляется магистральная трещина как гигантская флуктуация. Магистральная трещина может также поя- виться в результате тектонических нарушений, землетрясений и т.д. В этих случаях устойчивость такого нового образования обеспечивается ростом во времени дис- сипации энергии. Именно диссипация энергии способствует остановке трещины (или трещин), изменению в определённых локальных объёмах структуры угля и образованию зон, которые при определённых условиях можно назвать опасными по ВВ. Геотехнічна механіка. 2013. 108 21 Геометрические размеры этих зон диктуются собственно размерами фронта магистральных трещин, структурой системы «уголь-газ-влага» и внешним силовым полем. Такие «спящие» зоны как очаги опасности могут существовать в нетронутом угольном массиве довольно длительное время: их эволюция будет определяться изменением горного давления, скоростью метаногенераций, тектоническими на- рушениями угольного пласта и т.д. Находясь под действием внешних силовых по- лей их квазиравновесное состояние, будет изменяться во времени, однако энтро- пия согласно второму началу термодинамики будет неизменно возрастать. Для обеспечения устойчивого состояния все процессы в очаге опасности на опре- делённом промежутке времени будут проходить (эффект самоорганизации) с по- треблением минимума энергии (закон Рэлея-Гельмгольца) и с производством ми- нимума энтропии (закон Пригожина); изменение внешних условий может нару- шить такое равновесие и тогда в зоне будет изменяться параметр порядка. В ре- альных условиях это приведёт, прежде всего к изменению структуры вещества зо- ны: появления новых микротрещин, изменению скорости метаногенерации, появ- лению мелких фракций угля и т.д. Поэтому в очагах опасности уголь будет всегда в «помятом» состоянии с наличием мелких фракций и метана в свободном состоя- нии, что и подтверждается практикой. 4.5 Основные физические эффекты при образовании зон ГДЯ Природной газонасыщенной системе «уголь-метан» как твёрдому дефор- мируемому телу присущи все свойства твёрдых тел: локальность и дискретность процесса разрушения, локальные экзотермические эффекты и механизм движе- ния трещины в диссипативной среде. Рассмотрим их более подробно. Локальность процесса разрушения. Локальность как особенность механиз- ма разрушения присуща всем известным материалам. В угольном массиве с неод- нородным полем напряжений и наличием мест концентрации напряжений накоп- ление повреждений на поверхности и в объёме будет также неоднородным. По- этому зарождение субмикротрещин и их эволюционный переход в микротрещи- ны, концентрация последних и зарождение макротрещин носит вероятностный характер. Разрушение системы начинается в локальных местах, как в объёме, так и на поверхности (очаги разрушения), т.е. в местах, где напряжения и температуры максимальны. Дискретность процесса разрушения. Дискретность является чертой физиче- ских, химических, биологических и других процессов и проявляется в виде скачко- образно протекающих локальных элементарных процессов, периодически повто- ряющихся во времени. В металлах дискретность связана с исчерпыванием пла- стичности, которая определяется локальным напряжённым состоянием в вершине трещины. Увеличение трещины в таком случае происходит в результате критиче- ского числа единичных объёмов разрушения в зоне деформации у вершины тре- щины; её скачок становится возможным в момент их объединения. Этот механизм аналогичен для многих твёрдых тел, в том числе и для углей. В устье движущейся трещины по вероятностному закону происходит слия- ние суб- и микродефектов и структура материала существенно изменяется в неко- тором локальном объёме; изменение структуры (с повышением концентрации повреждений) вызывает рост диссипации энергии, что, в свою очередь, вызывает ещё большие структурные изменения материала; температура диссипативного ра- зогрева в локальном объёме повышается вплоть до частичной термодеструкции; трещина временно прекращает свой рост и при дальнейшем деформировании, ISSN 1607-4556 22 т.е. при повышении скорости накопления упругой энергии, растёт скачкообразно. На поверхности разрушения угля это вызывает определённые фрактографические особенности: бороздки, гребни, следы остановки фронта трещин и т.д. Как видно, скачкообразное движение трещины связано с влиянием дисси- пации, которая снижает напряжение в вершине трещины и на некоторое время приостанавливает её рост. Этим в какой-то мере можно объяснить возникновение бороздок и ступенек скола, а также появление в местах остановки фронта трещин зон термомеханического разрушения. При задержке трещины в её вершине обра- зуется зона с сильно повреждённым материалом, т.е. образованием сплошности микродефектов. Диссипация этого локального объёма резко возрастает за счёт повреждаемости; температура в зоне повышается, что подтверждается экспери- ментально; материал частично теряет свои механические свойства, после чего на- ступает скачок трещины. Длина скачка, т.е. размер ступеньки скола или расстоя- ние между бороздками, определяется характеристиками материала и условиями разрушения. Локальные экзотермические эффекты. Для твёрдых тел теоретически и экспериментально доказано, что в устье движущейся трещины температура может достигнуть уровня, характерного для теплового распада материала. Джоуль пер- вым показал, что при растяжении образца температура повышается. Многие ис- следователи с помощью жидких кристаллов, а позже с помощью ИК-радиометра отметили наличие локальных экзотермических эффектов для твёрдых тел: Камбор для стеклообразных полимеров получил 485 К; Фуллер для ПММА при скоростях нагружения 200-650 м/с – до 500 К; Е.А. Егоров для полиэтилентерефталата – 473- 500 К; В.И. Дырда для резин – 430-470 К; Е.А. Егоров и В.И. Дырда для сахара – до 650 К и для графита – до 920 К.  По мнению исследователей, локальное повышение температуры связано с де- формацией (за счёт диссипации энергии при пластическом перемещении мик- рообластей относительно друг друга) и разрушением (за счёт диссипации энер- гии, выделяющейся при разрыве); причём вклад второго механизма более су- щественен: Е.А. Егоров считает его до 55 % от общей энергии, Камбор – до 75 %, Вильямс – до 80-90 %.  Для углей и горных пород подобные исследования неизвестны. Однако логично предположить, что в образце угля (аналогично в угольном массиве) в устье движущейся трещины будут иметь место локальные экзотермические эффекты: благодаря наличию диссипации энергии температура в областях вершины мо- жет достигать 600-680 С, что может вызвать существенное изменение структу- ры угля. Механизм движения трещины в угольном массиве Общеизвестным для твёрдых тел является тот факт, что в вершине трещины (рис. 2, а) образуется зона с повышен- ной концентрацией напряже- ний. Диссипированная энергия частично уменьшает эти на- пряжения и возрастает в мик- рообъёме за счёт по- вреждённости материала. а б Рис. 2  К модели разрушения угля Геотехнічна механіка. 2013. 108 23 Температура в этом микрообъёме резко возрастает и изменяет структуру угля в некоторой области вблизи трещины. Так появляются зоны с изменённой структу- рой. В дальних от вершины областях образуются микродефекты, концентрация ко- торых увеличивается, и в момент их слияния (очевидно, частичного) трещина скачкообразно прорастает по «ослабленному» материалу. Примерно такая же картина наблюдается и при развитии макротрещины в реальном угольном массиве. Макротрещина (рис. 2, б), ориентируясь в пространстве в зависимости от приложенного поля напряжений и особенностей угля развивается широким фрон- том, и её устье выражено лишь в макроскопическом смысле. Микроскопически устье делится на множество трещин, которые на отдельных этапах прорастают са- мостоятельно, а затем сливаются между собой. При этом в устье каждой из тре- щин образуется локальный микрообъём ослабленного материала, и трещины по- лучают возможность независимого движения. На определённом этапе развития трещин может происходить слияние отдельных локальных микрообъёмов в их вершинах и, как результат, будет наблюдаться дискретное движение макротре- щины. После этого, как правило, происходят остановка фронта трещины, развитие отдельных микротрещин, их слияние и новый скачок макротрещины. Модель в какой-то мере объясняет появление таких фрактографических особенностей, как бороздки, ступеньки скола и зоны с изменённой структурой материала. Появление последних может быть связано также с термической неустойчивостью материала в локальных микрообъёмах. Известно, что с повышением температуры коэффици- ент диссипации резко возрастает (рис. 3). Это, в свою очередь, может вызвать по- вышение температуры нагрева микрообъёма, что увеличивает коэффициент дис- сипации и ещё больше повысит температуру саморазогрева вплоть до частичной термодеструкции материала. Механизм движения макротрещины с учётом наличия в угольном пласте метана будет, естественно, иметь свои особенности. В нетронутом угольном мас- сиве при установившемся равновесии метан будет находиться в свободном со- стоянии в порах и трещинах. При тектонических нарушения, землетрясениях и других природных явлениях в движущихся микротрещинах метаногенерация со- вместно с механохимическими эффектами будет способствовать появлению мик- ротрещин самого различного размера. Объединяясь под действием силовых по- лей, древовидный ансамбль микротрещин создаёт определённые зоны с из- менённой структурой вещества; в таких зонах будут более высокие температура и давление газа, повышенное производство энтропии и все химические реакции будут проходить более ускоренно. Геометрические размеры зон будут диктовать- ся величиной макротрещины, горным давлением, структурой угля, наличием сво- бодного метана и т.д. 4.6 Кластерно-синергетическая нелинейная эволюционно- структурная модель газодинамических явлений в угольном массиве Обобщая полученную экспериментальную информацию, выделим основ- ные её положения:  в угольном массиве очаги опасности ГДЯ образуются в основном в геологиче- ское время под влиянием тектонических и геохимических процессов: возможно образование их и в историческое время; ISSN 1607-4556 24  эволюция системы «уголь-газ-влага» отличается локальностью и дискретно- стью; в вершине движущейся трещины локальный разогрев может достигать частичной термодеструкции вещества, что будет способствовать интенсивной метаногенерации и дроблению угля вплоть до образования наночастиц;  микротрещины в угле способны диссипировать, т.е. рассеивать энергию, кото- рая уменьшает напряжения в устьях трещин и приостанавливает их рост; обра- зовавшиеся при этом зоны с изменённой структурой вещества могут объеди- няться между собой, образуя гигантскую флуктуацию (магистральную трещину), остановка которой в свою очередь может способствовать образованию очага опасности;  в очагах опасности по сравнению с нетронутым массивом всегда будут более высокая температура, давление свободного газа, повышенное производство эн- тропии и все химические реакции будут проходить более ускоренно;  геометрические размеры очагов опасности будут диктоваться величиной мак- ротрещины, горным давлением, структурой угля, его способностью к метаноге- нерации, наличием метана в свободном состоянии и т.д. Принимая эти положения модель газодинамических явлений можно пред- ставить в следующем виде. В системе «уголь-газ-влага» в процессе эволюции очага опасности под дей- ствием горного давления и давления газа концентрация микротрещин возрастает вплоть до состояния, когда они начинают сливаться между собой и локально об- разуют зоны с существенно изменённой структурой вещества. Такие зоны некото- рое время будут находиться в квазиравновесном состоянии, а колебания их ос- новных параметров (напряжения, давление газа, скорости метаногенерации и т.д.) не будут выходить за допускаемые пределы. При достижении основными параметрами некоторых критических значений под действием малых возмущений техногенного или природного характера ква- зиравновесное состояние нелинейной неравновесной системы может быть нару- шено. Реально это выражается в росте древовидного ансамбля трещин и ано- мальной метаногенерации из движущихся трещин; диссипация энергии резко возрастает, что приводит к повышению температуры, а это в свою очередь повы- шает диссипацию энергии (рис. 3). Такое взаимодействие между температурой и диссипацией (реакция Франк- Каменецкого) приводит к рез- кому нелинейному повыше- нию температуры; процесс из метастабильного превращается в лабильный, что приводит систему к тепловому взрыву. При этом сохраняется принцип температурно-временной су- перпозиции (см. ниже). Критериями теплового взрыва будут служить критерии подобия, известные как крите- рии Семенова или Франк- Каменецкого [16, 17]. Если теплообмен в сис- теме идёт быстрее, чем тепло- Рис. 3 – Зависимость (Т) Геотехнічна механіка. 2013. 108 25 обмен с окружающим пространст- вом (например, с угольным масси- вом) используется критерий Семе- нова – используется так называе- мая нестационарная теория тепло- вого взрыва; условия «взрыва» оп- ределяются как условия прогрес- сивного увеличения разогрева сис- темы, т.е. повышения температуры со временем реакции (рис. 4): 02 0 0 exp .e Q E Е S k S RT RT V        Если теплообмен с окру- жающим пространством осуществ- ляется быстрее, чем внутри реаги- рующей системы, используется критерий Франк-Каменецкого, выражающий соот- ношение между масштабами теплоприхода и теплоотвода (стационарная теория теплового взрыва) 2 02 0 0 ,k Q E E F r k exp RT RT       где Т0 – температура окружающей среды, К; Q – тепловой эффект реакции, кал/см3;  – коэффициент теплопроводности вещества, кал/(смсград); Е – энергия активации, кал/моль; r – характерный размер области взрыва, см; R – газовая постоянная; k0 – предэкспоненциальный фактор, с-1; V – объем реагирующего вещества; S – поверхность теплоотдачи;  – коэффициент теплоотдачи, кал/(см3сград). Для газодинамических явлений в угольном массиве более подходящей яв- ляется нестационарная теория теплового взрыва Н.Н. Семенова, т.к. скорость про- текания реакции (5-30) с такова, что теплообмен внутри очага опасности ГДЯ будет идти намного быстрее, чем теплообмен с окружающим угольным массивом вследствие низкой теплопроводности окружающей среды. Рассмотрим нестационарную теорию теплового взрыва Н.Н. Семёнова бо- лее подробно. В предположении, что температура в реакционном объёме распределена равномерно, скорость тепловыделения описывается кривой 0 0 exp , E q Qk RT        а скорость теплоотвода – прямой  0 . S q T T V     Рис. 4 – Зависимость T(t) ISSN 1607-4556 26 Соотношение между количе- ством накапливающейся в системе теплоты и температурой обычно представляют в виде диаграммы Семенова (рис. 5). Если условия теплообмена между системой (в рассматривае- мом случае между очагом ГДЯ) и средой таковы, что температура окружающей среды Т0 и линия q пересекает линию q+, в системе ус- танавливается постоянная темпе- ратура Т1 и тепловой взрыв не про- исходит. Если же при любой тем- пературе (этот вывод очень важен) теплоотвод меньше тепловыделе- ния (прямая q , Т0 = Т) – происхо- дит тепловой взрыв. Критическое условие определяется касанием линий и выра- жается критерием Семенова. 5 Замечания к модели  Тепловой взрыв очага опасности ГДЯ, как экзотермическая реакция I порядка становится возможным при случайном совпадении целого ряда факторов: на- личия горного давления, давления газа в свободном состоянии, высокой скоро- сти метаногенерации, тонкой перемычки (пробки) между зоной и окружающей средой, критической температуры в зоне (она неизвестна) и внешних возмуще- ний природного или техногенного характера.  По существу ГДЯ может произойти исключительно при сочетании аномального газовыделения (а это возможно лишь при движении ансамбля различного рода микротрещин) и внешнего силового поля; горное давление, как показала прак- тика, может быть незначительным; отсюда весьма интересный вывод: в меха- низме ГДЯ доминирующую роль играет метаногенерация.  Зона ГДЯ устойчива благодаря горному давлению и достаточно «большой пе- ремычке»; при недостаточной перемычке возможен тепловой взрыв различной интенсивности (или просто высыпание угля с газовыделением).  ГДЯ может произойти и при остановке работ; в этом случае причины следую- щие: природные воздействия и релаксация пласта.  Геометрические размеры зоны ГДЯ (полости) образуются в процессе теплового взрыва и связаны с двумя основными эффектами: в зоне практически отсутству- ет кислород – его не пропускает метан, находящийся под давлением, что ис- ключает самовозгорание газа; второй эффект – при тепловом взрыве в зоне резко возрастают давление и температура, благодаря чему во время взрыва тонкодисперсные частицы угля забивают микротрещины образовавшего объ- ёма полости, препятствуя тем самым проникновению метана из окружающего угольного массива; грушевидная форма полости объясняется наличием объ- ёмного древовидного ансамбля микротрещин.  Среди информационных параметров, характеризующих ГДЯ, особенно следует выделить температуру, т.к. она присуща всем экзотермическим реакциям; при этом благодаря низкой теплопроводности угля именно в больших зонах опас- Рис. 5 – Диаграмма Семёнова Геотехнічна механіка. 2013. 108 27 ности (даже несмотря на их квазиустойчивое состояние) будет развиваться аномально высокая температура.  В отличие от температуры, акустическую эмиссию более сложно идентифици- ровать т.к. она присуща в равной степени (по величине сигнала) и малым тре- щинам и зонам ГДЯ различной величины.  Из модели следует вывод: скорость проходки не играет существенной роли вплоть до «критического» приближения к очагу опасности; естественно, при этом следует учитывать «незначительные» очаги: за одну смену может быть не- сколько выбросов угля и газа малой интенсивности.  Механизм газодинамических явлений удобно моделировать также с помощью теории катастроф (ГДЯ типичная катастрофа типа сборки, см. рис. 1).  ГДЯ можно также моделировать как нерегулярное поведение нелинейной сис- темы, непосредственно связанной с детерминированным многомерным хао- сом; в этих случаях довольно трудно использовать математический аппарат: т.к. в зоне во время теплового взрыва будет переходной процесс с наличием мощ- ных турбулентных потоков, математическое описание такого процесса весьма и весьма проблематично.  Очаги разрушения пытаются моделировать свойствами самоорганизованной критичности нагружаемой среды (идеи С.П. Курдюмова в области нелинейной динамики). Используя эволюционные уравнения для описания кинетики накоп- ления повреждений, авторы [18] сделали попытки создать модель (в основном для землетрясений), которая описывает как медленную квазистационарную фа- зу формирования очага будущего разрушения, включая наличие зон затишья, так и сверхбыстрый катастрофический этап разрушения. 6 Некоторые важные предпосылки 1. Температура в очаге опасности ГДЯ. При объёмном сжатии образцов угля Малинникова О.Н. [8] получила превышение температуры Т  3 С и объяснила это дополнительной сорбцией метана в процессе разрушения угля. Результаты эксперимента не вызывают сомнения, однако объяснения не обладают достаточ- ной полнотой, т.к. наряду с возможным повышением температуры от сорбции ме- тана следует учитывать и экзотермические эффекты в устьях движущихся трещин. Несмотря на то, что микрообъёмы и длительность импульсов незначительны (до- ли мм2, микросекунды), суммарный температурный эффект от движущегося ан- самбля микротрещин может быть весьма значителен. 2. Принципы температурно-временной суперпозиции. Для упруго- наследственных сред характерна совместимость с принципом эквивалентности скорости и температуры, т.е. некоторая величина А(V, T), зависящая от скорости и температуры протекания реакции, подчиняется температурно-временной супер- позиции (так называемое уравнение ВЛФ: Вильямса-Ландела-Ферри [1]). Приме- нительно к рассматриваемой системе «уголь-метан» можно считать, что повыше- ние температуры в очаге опасности ГДЯ, предположим на 100 С, адекватно уменьшает время теплового взрыва на несколько секунд. Это в какой-то мере объясняет различную продолжительность выбросов угля и газа (5-30) с. При этом следует не исключать и влияние других факторов: давления газа, горного давле- ния, структуры угля и т.д. По-видимому следует согласиться с тем фактом, что в зоне ГДЯ (т.е. непо- средственно в полости) в момент теплового взрыва (возможно на короткое время) температура в локальных объёмах достигает 600-800 С; об этом свидетельствуют ISSN 1607-4556 28 показания специалистов – горняков, однако экспериментальные или докумен- тальные доказательства неизвестны; к тому же существуют случаи самовоспламе- нения угля в момент выброса. 3. Критическая температура в зоне ГДЯ. Ткр – температура, при которой на- чинается спонтанный переход системы из метастабильного состояния в лабиль- ное. Величина её для конкретных условий неизвестна (пределы примерно 600- 800 С). По мнению Н.Н. Семенова [16] её величина может быть любой (весьма ценное утверждение). 4. Трещиноватость угля. Экспериментально установлено (ИГТМ НАНУ), что угли, извлечённые из зоны выброса, обладают повышенной трещиноватостью: на одном квадратном миллиметре находиться примерно 1000 субмикротрещин; в 1 мм3 их более миллиона штук. При объёмном сжатии благодаря экзотермиче- ским эффектам в устьях трещин, сорбции газа, электрическим полям и эмиссии электронов вполне возможно появление в локальных областях зоны как аномаль- но высокой температуры так и зоны высокой метаногенерации. 5. Роль воды. При исследовании ГДЯ большинство учёных рассматривают систему «уголь-газ-влага», отмечая при этом важную роль воды; однако серь- ёзные работы в этой области отсутствуют, роль воды до настоящего времени ни на теоретическом, ни на экспериментальном уровне не определена; в работе [27] отмечается, что «количество выделившейся воды при диссоциации соответствую- щих объёмов гидрата метана зачастую должно быть равно, а порой даже и пре- вышать объёмы выброшенного угля». Однако, и это отмечают авторы, практика не подтверждает такую гипотезу, а «влажность угля, выброшенного внезапным вы- бросом в горную выработку, никогда не превышала влажность угля в ненарушен- ной части пласта». 6. Пласт не является «мёртвым»; во времени он эволюционировал. Ско- рость эволюции (т.е. изменения структуры во времени) определялась прежде все- го горным давлением. Энтропия (т.е. мера беспорядка) возрастала, росла дисси- пация энергии как основной источник устойчивости системы. 7. Образование полости в зоне ГДЯ. В процессе эволюции зона ГДЯ не име- ет чётких границ, контуры её размыты. Конечные геометрические размеры полос- ти формируются в момент теплового взрыва, когда «бешеная мука» запечатывает микротрещины полости, частично не пропуская кислород из пласта и создавая тем самым предельные размеры грушевидной ёмкости. По мнению [3] этому способ- ствует древовидный ансамбль трещин. Если же таких ансамблей будет несколько, то полость может приобретать причудливую форму [4]. Геометрические размеры полостей выбросов угля и газа не являются слу- чайными, т.к. в основе их образования лежат термодинамические принципы и, в том числе, явление детерминированного хаоса. По мнению Трубецкова Д.И. [26], возникновение детерминированного хаоса в сложных динамических системах со- стоит в следующем. Если в фазовое пространство поместить динамическую систе- му, то её роль состоит в превращении случайности начальных условий в макро- скопическую случайность движения системы. При существовании в системе ло- кальной неустойчивости, когда близкие траектории расходятся экспоненциально, это движение определяется начальными условиями. Следует подчеркнуть, что образом хаоса в фазовом пространстве является странный аттрактор; в хаосе есть некоторый порядок и всегда существуют универ- сальные сценарии возникновения хаоса. Один из сценариев перехода к хаосу че- рез бесконечный каскад бифуркаций удвоения периода принадлежит Фейхенбау- Геотехнічна механіка. 2013. 108 29 му (в науке о турбулентности известна его постоянная  = 4,6692). Известно также [2] использование для этой цели принципа «золотой пропорции», равно как и чи- сел Фибоначчи. Даже беглое рассмотрение этого вопроса свидетельствует о том, что соот- ношение длины и ширины полости выброса подчиняется с некоторыми допуще- ниями принципу «золотой пропорции». Однако такое утверждение требует дока- зательства на широком экспериментальном материале. В принципе, образование полости выброса зависит от многих факторов, в том числе и внешнего силового воздействия. Однако в целом этот процесс, не- смотря на вероятностную природу проявления всех термодинамических парамет- ров, подчиняется критерию Гленсдорфа – Пригожина (производство минимума энтропии) и Гельмгольца – Ньютона (из всех сценариев осуществляются только те, которые потребляют минимум энергии). Следует отметить, что зоны ГДЯ образуются спонтанно, контуры их размыты, т.к. процесс образования их растянут во времени, и влияние самых различных факторов, в том числе и таких, как тектонические землетрясения, проявляется в полной мере. Однако образование полостей в процессе выброса будет подчи- няться термодинамическим принципам, и, безусловно, геометрические размеры полости должны согласовываться с некоторыми универсальными постоянными. 6 Новизна работы 6.1 Сформулирована термодинамическая модель, объясняющая механизм образования и эволюции очагов опасности ГДЯ. 6.2 Установлена особая роль взаимосвязи диссипации энергии и температу- ры в угольном массиве как в упруго-наследственной среде, находящейся под дей- ствием объёмного сжатия. Именно эта взаимосвязь приводит к образованию объ- ёмов с изменённой структурой угля; эти объёмы могут иметь различные размеры: от микрообъёмов до гигантских флуктуаций (5-10) м и больше. 6.3 Установлен механизм образования очагов опасности ГДЯ как флуктуаций различного размера, возникающих при движении трещин; в основе механизма лежит взаимосвязь диссипации и температуры, а также локальность и дискрет- ность механизма разрушения угля. 6.4 Установлена особая роль температуры в локальном объёме угольного массива, вызванной экзотермическими эффектами в устьях движущихся микро- трещин. Эти эффекты (возможно в сочетании с сорбцией метана) объясняют и вы- сокую температуру в зонах ГДЯ и кратковременное появление зон с аномально высокой температурой. По мнению специалистов в угольном массиве на короткое время могут возникать зоны с высокой температурой (уголь приобретает красный цвет); также отмечается, что при выбросе наблюдались зоны угля красного цвета. 6.5 Сформулирована кластерно-синергетическая нелинейная модель газо- динамических явлений в угольном массиве; в основе механизма проявления ГДЯ лежит экзотермическая реакция теплового взрыва; его критерием служит крите- рий Семенова, а спусковым механизмом малые внешние возмущения техногенно- го или природного характера. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Прикладная механика упругонаследственных сред: В 3-х томах. – Т. 1. Механика деформирования и разрушения эластомеров / А.Ф. Булат, В.И. Дырда, Е.Л. Звягильский, А.С. Кобец. – Киев: Наук. думка, 2011. – 568 с. 2. Прикладная механика упругонаследственных сред: В 3-х томах. – Т. 2. Методы расчета эластомер- ных деталей / А.Ф. Булат, В.И. Дырда, Е.Л. Звягильский, А.С. Кобец. – Киев: Наук. думка, 2012. – ISSN 1607-4556 30 616 с. 3. Метаногенерация в угольных пластах / А.Ф. Булат, С.И. Скипочка, Т.А. Паламарчук, В.А. Анциферов. – Днепропетровск: Лира ЛТД, 2010. – 328 с. 4. Алексеев, А.Д. Физика угля и горных процессов / А.Д. Алексеев. – Киев: Наук. думка, 2010. – 423 с. 5. Прогнозирование неустойчивости системы уголь-газ / А.Д. Алексеев, Г.П. Стариков, В.Н. Чистокле- тов. – Донецк: Изд-во «Ноулидж» (донецкое отделение), 2010. – 343 с. 6. Основы теории внезапных выбросов угля, породы и газа / ИГД им. А.А. Скочинского. – М.: Недра, 1978. – 164 с. 7. Шевелёв, Г.А. Динамика выбросов угля, породы и газа / Г.А. Шевелёв. – Киев: Наук. думка, 1989. – 160 с. 8. Малинникова О.Н. Условия формирования и методология прогнозирования газодинамических яв- лений при техногенном воздействии на угольные пласты: Автореф. дисс. … д-ра техн. наук: 25.00.20 / УРАН ИПКОН РАН. – М., 2011. – 47 с. 9. Скочинский, А.А. Рудничная атмосфера / А.А. Скочинский. – М.: ОНТИ, 1932. – 151 с. 10. Техногенные минеральные наночастицы как проблема освоения недр / К.Н. Трубецкой, С.Д. Викторов, Ю.П. Галченко, В.Н. Одинцев // Вестник РАН. – 2006. – Т. 76, № 4. – С. 318-332. 11. Грицко, Г. Внезапные выбросы метана в шахтах / Г. Грицко // Наука в Сибири. Еженедельная газета СО РАН. – 2007. – № 32-33 (2617–2618) от 23.08.2007. – 6 с. – [Электронный ресурс]. – Режим досту- па: http://www.sbras.ru/HBC/article.phtml. – Загл. с экрана. 12. Грицко, Г. Внезапны ли внезапные выбросы и взрывы в угольных шахтах / Г. Грицко // Наука в Си- бири. Еженедельная газета СО РАН. – 2012. – № 32-33 (2867–2868) от 23.08.2012. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.sbras.ru/HBC/article.phtml. – Загл. с экрана. 13. Зборщик, М.П. О роли механоэмиссии в механизме газодинамических явлений / М.П. Зборщик, В.В. Назимко // Уголь Украины. – 1985. – № 1. – С. 32-34. 14. О целесообразности использования некоторых показателей выбросоопасности / Б.В. Бокий, П.Е. Филимонов, С.Г. Ирисов // Уголь Украины. – 2011. – № 11. – С. 25-29. 15. Зборщик, М.П. Тектонофизическая природа газодинамических явлений при разработке пологих пластов / М.П. Зборщик, В.И. Пилюгин // Уголь Украины. – 2010. – № 11. – С. 8-11. 16. Семёнов, Н.Н. Тепловая теория горения и взрывов / Н.Н. Семёнов // Успехи физических наук. – 1940. – Т. XXIII, Вып. 3. – С. 251-292. 17. Мержанов, А.Г. Современное состояние теории теплового взрыва / А.Г. Мержанов, Ф.И. Дубо- вицкий // Успехи химии. – 1966. – Т. XXXV, Вып. 4. – С. 656-683. 18. Макаров, П.В. Самоорганизованная критичность деформируемых твёрдых тел и сред и особенности формирования очагов разрушения / П.В. Макаров // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: Материалы XXII Международ- ной научн. школы им. акад. С.А. Христиановича. – Крым, Алушта, 17-23 сентября 2012 г. – Симферо- поль: Таврич. нац. ун-т, 2012. – С. 219-222. 19. Фельдман, Э.П. Температурный режим угольного пласта / Э.П. Фельдман, И.Г. Старикова // Дефор- мирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: Материалы XXII Международ. научн. школы им. акад. С.А. Христиановича. – Крым, Алушта, 17-23 сентября 2012 г. – Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2012. – С. 340-342. 20. Фейт, Г.Н. Предельное напряжённое состояние и процессы разрушения трещиноватых газоносных угольных пластов / Г.Н. Фейт, О.Н. Малинникова // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: Материалы XXII Международ. научн. школы им. акад. С.А. Христиановича. – Крым, Алушта, 17-23 сентября 2012 г. – Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2012. – С. 335- . 21. Баранов В.А. Структурні перетворення пісковиків Донбасу і прогноз їх викидонебезпечності: Авто- реф. дис. … д-ра геологічних наук: 04.00.16 / НГАУ МОН України. – Дніпропетровськ, 2000. – 34 с. 22. Отчет о деятельности научного совета РАН и краткие результаты научно-исследовательских работ учреждений и организаций горного профиля РФ и стран СНГ в 2011 г. – Москва, 2012. – С. 301. 23. Ходот, В.В. Внезапные выбросы угля и газа / В.В. Ходот. – М.: ГНТИ, 1961. – 363 с. 24. Петухов, И.М. Теоретические основы борьбы с выбросами угля, породы и газа / И.М. Петухов, А.М. Линьков // Уголь. – 1975. – № 9. – С. 9-15. 25. Христианович, С.А. Механика сплошной среды: Избранные работы / С.А. Христианович; отв. ред. А.Ю. Ишлинский и Г.И. Баренблат. – М.: Наука, 1981. – 493 с. 26. Трубецков, Д.И. Турбулентность и деформированный хаос / Д.И. Трубецков // Соросовский образо- вательный журнал. – 1998. – № 1. – С. 77-86. 27. Опарин, В.Н. О механизме зарождения процессов, завершающихся внезапными выбросами угля и газа / В.Н. Опарин, В.А. Скрицкий // Горная промышленность. – 2012. – № 5. – С. 56-58. Геотехнічна механіка. 2013. 108 31 Об авторах Булат Анатолий Федорович, Академик Национальной академии наук Украины, доктор техниче- ских наук, профессор, директор института, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова На- циональной академии наук Украины (ИГТМ НАНУ), Днепропетровск, Украина, igtmnanu@yandex.ru Дырда Виталий Илларионович, доктор технических наук, профессор, заведующий отделом меха- ники эластомерных конструкций горных машин, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАНУ), Днепропетровск, Украина, vita.igtm@mail.ru About the authors Bulat Anatoly Fedorovich, Academician of the National Academy of Science of Ukraine, Doctor of Tech- nical Sciences (D. Sc.), Professor, Director of the Institute, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Academy of Science of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepropetrovsk, Ukraine, igtm- nanu@yandex.ru Dyrda Vitaly Illarionovich, Doctor of Technical Sciences (D. Sc.), Professor, Head of Department of Elas- tomeric Component Mechanics in Mining Machines, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Academy of Science of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepropetrovsk, Ukraine, vita.igtm@mail.ru УДК 621.001.25 В.И. Дырда, д-р техн. наук, профессор (ИГТМ НАН Украины), И.А. Воловик, канд. эконом. наук, доцент (ДГАУ) БИОСФЕРНО-НООСФЕРНАЯ КОНЦЕПЦИЯ В. ВЕРНАДСКОГО В КОНТЕКСТЕ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ Аннотация. Рассматривается биосферно-ноосферная концепция эволюции биосферы в контексте устойчивого развития. Ключевые слова: биосфера, ноосфера, живое и косное вещество, историческое время, геологиче- ское время V.I. Dyrda, D. Sc. (Tech.), Professor (IGTM NAS of Ukraine), I.A. Volovik, Ph. D. (Ekonom.), Associate Professor (DSAU) VERNADSKY BIOSPHERE-NOOSPHERE CONCEPT IN THE CONTEXT OF SUSTAINABLE DEVELOPMENT Abstract. Biosphere-noosphere concept of biosphere evolution is considered in the context of sustaina- ble development. Keywords: biosphere, noosphere, living and inert substance, historical time, geological time На рубеже тысячелетий к проблеме устойчивого развития обращались мно- гие учёные самых различных отраслей науки. Достаточно назвать работы Оду- ма Ю., Реймерса Н.Ф., Легасова В., Осипова В.И., Д.Г. и Д.Л. Медоузов, Моисее- ва Н.Н., Данилова-Данильяна В.И., Киселёва М.М., Крымского С.Б., Качинского А.Б. и многих других, чтобы составить некоторые представления о широте и важности этой проблемы. Во всех этих исследованиях преобладали экологические аспекты, нередко подаваемые в религиозно-философском контексте. Проблемам же науки, научной мысли как продукта человеческой деятельности, роли человека в созда- нии искусственной среды обитания – техносферы, уделялось совершенно недоста- точно внимания. © Дырда В.И., Воловик И.А., 2013
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-59413
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1607-4556
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T15:15:25Z
publishDate	2013
publisher	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
record_format	dspace
spelling	Булат, А.Ф. Дырда, В.И. 2014-04-08T08:57:50Z 2014-04-08T08:57:50Z 2013 Некоторые проблемы газодинамических явлений в угольном массиве в контексте нелинейной неравновесной термодинамики / А.Ф. Булат, В.И. Дырда // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2013. — Вип. 108. — С. 3-31. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59413 622.831.323 На основе современных концепций нелинейной неравновесной термодинамики сформулированы физические модели газодинамических явлений в угольном массиве. Physical models of gas-dynamic phenomena in coal massif are formulated on the basis of the modern concept of nonlinear nonequilibrium thermodynamics. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехническая механика Некоторые проблемы газодинамических явлений в угольном массиве в контексте нелинейной неравновесной термодинамики Some problems of gas-dynamic phenomena in coal massif in the сontext of nonlinear nonequilibrium thermodynamics Article published earlier
spellingShingle	Некоторые проблемы газодинамических явлений в угольном массиве в контексте нелинейной неравновесной термодинамики Булат, А.Ф. Дырда, В.И.
title	Некоторые проблемы газодинамических явлений в угольном массиве в контексте нелинейной неравновесной термодинамики
title_alt	Some problems of gas-dynamic phenomena in coal massif in the сontext of nonlinear nonequilibrium thermodynamics
title_full	Некоторые проблемы газодинамических явлений в угольном массиве в контексте нелинейной неравновесной термодинамики
title_fullStr	Некоторые проблемы газодинамических явлений в угольном массиве в контексте нелинейной неравновесной термодинамики
title_full_unstemmed	Некоторые проблемы газодинамических явлений в угольном массиве в контексте нелинейной неравновесной термодинамики
title_short	Некоторые проблемы газодинамических явлений в угольном массиве в контексте нелинейной неравновесной термодинамики
title_sort	некоторые проблемы газодинамических явлений в угольном массиве в контексте нелинейной неравновесной термодинамики
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59413
work_keys_str_mv	AT bulataf nekotoryeproblemygazodinamičeskihâvleniivugolʹnommassivevkontekstenelineinoineravnovesnoitermodinamiki AT dyrdavi nekotoryeproblemygazodinamičeskihâvleniivugolʹnommassivevkontekstenelineinoineravnovesnoitermodinamiki AT bulataf someproblemsofgasdynamicphenomenaincoalmassifinthesontextofnonlinearnonequilibriumthermodynamics AT dyrdavi someproblemsofgasdynamicphenomenaincoalmassifinthesontextofnonlinearnonequilibriumthermodynamics

Некоторые проблемы газодинамических явлений в угольном массиве в контексте нелинейной неравновесной термодинамики

Institution

Similar Items