Тайны метана
Над их разгадкой работают — в том числе — кузбасские ученые
Валерий Дырдин, доктор технических наук, профессор КузГТУ
Вячеслав Смирнов, к.т.н., доцент кафедры физики
Татьяна Ким, к.т.н., зав.кафедрой физики КузГТУ
Горные породы в нетронутом массиве находятся в устойчиво-напряженном состоянии под действием механического сжатия вышележащих горных пород и высокого внутреннего газового давления.
При очистных работах равновесие в угольном массиве нарушается. Реакция на изменение внешних условий может быть сложна и непредсказуема. Расширение представлений о физических основах явлений, происходящих при подземной добыче угля, помогает совершенствовать технологию угледобычи, обеспечив, в частности, ее безопасность и эффективность.
Ведущие ученые всего мира изучают процессы, происходящие в угольном пласте при нарушении его равновесия. В России одним из центров угольной науки является Кузбасс.
Группа ученых кафедры физики Кузбасского государственного технического университета имени Т.Ф. Горбачева совместно с лабораторией клатратных соединений Института неорганической химии имени А.В. Николаева на протяжении нескольких лет создает собственный «кирпичик» — как вклад в общую теорию внезапных выбросов.
Со стороны КузГТУ в этой работе участвуют доценты кафедры физики Софья Шепелева, Вячеслав Смирнов, заведующая кафедрой физики Татьяна Ким. Научное руководство работами осуществляет профессор Валерий Дырдин.
В попытке оценить вклад кузбасской науки и понять его значение для практической угледобычи корреспондент «УК» встретился с преподавателями КузГТУ. Итак — что именно происходит?
— К настоящему времени завершен второй этап работы над грантом Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) «Экспериментальное обоснование возможности существования в угольном веществе газогидратной формы метана и исследование свойств гидрата метана в матрице каменного угля», — объясняет Вячеслав Геннадьевич Смирнов. — Мы ценим, что исследования, которые проводятся на кафедре физики КузГТУ, нашли поддержку Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ). Впервые в мире проведены исследования возможности образования газовых гидратов во внутреннем пространстве природного угля. В настоящее время мы изучаем гидраты в углях разных марок для определения количества метана в гидратной фазе, а также конкретных термобарических условий их разложения (температуры и давления). Полученные экспериментальные результаты сопоставляются с характеристиками отдельных углей. Какие свойства природного угля влияют на возможность существования газовых гидратов в их внутреннем пространстве?
— Читаю определение: «Газовые гидраты — это клатратные соединения, в которых молекулы газов встраиваются в полости кристаллической решетки, созданной молекулами воды». Мы говорим про гидраты в угольных пластах? Что такое «газогидратная форма метана»?
— Если позволите, я начну с объяснения сути исследования, чтобы ответить на ваш вопрос, — слово берет Валерий Васильевич Дырдин. Кузбассовцы, как люди, живущие в угольном регионе, в основном хорошо знают, что такое «внезапный выброс газа метана». Это — авария, порой катастрофа. Последствия ее ужасны: десятки, сотни тонн потерянного угля и зачастую немалые цифры человеческих жизней.
Такие выбросы происходят нерегулярно, и мы до сих пор не знаем, когда и где они случатся. Физическая природа явления сложная. А теории, которые существуют сегодня, исчерпали себя: вроде бы они все объясняют, но найти метод предсказания выбросов не способны.
Одна из теорий заключается в том, что в подземных выработках существует не просто газ метан. Метан находится в твердом растворе, в твердой связи с углем. Иначе говоря, в твердом состоянии углеметанового вещества. Где метан, где уголь, понять можно только на молекулярном уровне. Где, когда, почему образовываются кристаллогидраты, как они ведут себя в разных условиях, узнать это — задача №1. В частности, этой тематике посвящены работы Татьяны Леонидовны Ким.
— Как я понимаю, ваша тема — лишь один кирпичик в сложной теории выбросов. Может ли она стать завершающей для всей теории?
— Ни в коем случае. Диссоциация (разложение на составные части) кристаллогидратов в угольном пласте неспособна покрыть весь объем выделяемого метана в момент внезапного выброса.
Исследования, которые ведет КузГТУ — наряду с крупнейшими российскими (Московский и Санкт-Петербургский горные университеты) и мировыми научными центрами — будут продолжаться долго, поскольку природа явления очень сложная.
— Если вернуться к поводу нашей встречи, к продолжению работы в рамках гранта РФФИ, чем помогли финансы гранта?
— Они позволили приобрести необходимое для дальнейших исследований оборудование, участвовать в научных конференциях, обсуждать наши исследования с ведущими учеными, изучающими газовые гидраты, — говорит Вячеслав Геннадьевич. — Необходимо отметить, что руководителем работы по гранту является профессор Манаков Андрей Юрьевич — д.х.н., заведующий лабораторией клатратных соединений Института неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН...
— …за научное руководство отвечает Валерий Васильевич Дырдин, — дополняет Татьяна Леонидовна Ким.
— Валерий Васильевич является научным руководителем всех исследований, проводимых на кафедре физики. И если три года назад часть экспериментов проводилась в новосибирской лаборатории клатратных соединений, то сегодня мы, благодаря поддержке РФФИ, имеем оборудованное помещение в КузГТУ, где проводятся основные эксперименты по изучению гидратообразования в природных углях.
— Практическая цель исследования — понять процессы выбросов, чтобы суметь их прогнозировать и предупреждать. Когда такое станет возможным?
— Мы только ученые, — улыбается Валерий Васильевич Дырдин. — Мы занимаемся нашим делом, потому что очень любим его. Нам интересно, любопытно узнать как можно больше. И мы вовсе не первые, кто старается дополнить существующую теорию явления новыми научными находками. Быть может, если бы руководители угольных холдингов проявили больший интерес к науке (ради любопытства можете посмотреть и посчитать число изобретений ученых КузГТУ в конце прошлого столетия), теория намного быстрее преобразовалась бы в полезную практику. Но сегодня угольной отрасли более интересны цифры добычи и прибыли, нежели научный задел на будущее.
С другой стороны — нас очень вдохновляет и поддерживает признание нашей научной значимости ведущими институтами и учеными РФ — о чем уже говорилось. Значит, мы ведем нужную деятельность.
Подготовила Лариса Филиппова
Для объяснения термина «кристаллогидрат» и сути происходящих с ним процессов ниже публикуем небольшой фрагмент работы Татьяны Ким, Валерия Дырдина, Виталия Белкова
Математическое моделирование процесса диссоциации кристаллогидрата в краевой зоне угольного пласта
Газовый гидрат — образование, в котором молекулы газа заключены в кристаллические ячейки, состоящие из молекул воды, удерживаемые водородной связью.
Для образования гидрата необходимыми условиями являются: наличие газа, воды и давление, превышающее равновесное значение при определенной температуре. Химические связи между молекулами отсутствуют. Молекулы воды объединены водородной связью, легко разрушающейся при понижении давления или повышении температуры.
В настоящее время известно более десяти структур газогидратов, существующих при различных давлениях и температурах. Большая часть новых структур выявлена группой ученых Сибирского отделения РАН.
Газогидраты также могут образовываться и находиться в угольных пластах при температурах, выше 0°С, но давление при этом должно быть равно или превышать равновесное значение. Например, гидрат метана стабилен при температуре от 0°С и давлении выше 2,5 МПа, а при температуре 12 °С для стабильности гидратов требуется давление выше 9 MПа.
Исследование процессов образования и диссоциации газовых гидратов при разработке угольных пластов во многом связано с возможным их влиянием на формирование выбросоопасных ситуаций за счет высокого газовыделения при диссоциации.
Изучение процесса диссоциации кристаллогидрата в краевой зоне угольного пласта поможет раскрыть физические условия, влияющие на газовыделение и на условия образования выбросоопасных зон.
Диссоциация кристаллогидратов в угольном пласте может происходить при резком понижении давления…
…Путем решения дифференциальных уравнений второго порядка получены закономерности изменения давления газа вследствие разложения газовых гидратов с подвижной границей разложения.
Подобный расчет позволит в дальнейшем смоделировать более подробную и целостную картину изменения суммарного давления газа в призабойной зоне пласта вследствие разложения кристаллогидратов, фильтрации газа в сторону выработки и ее загазирования. Кроме того, можно будет предрассчитать формирование выбросоопасной ситуации при диссоциации газовых гидратов.