Страница 9 из 15
╘ Sott.net, на основе данных F.T. Freund
Рис.6 Электрические эффекты механического удара по граниту.
До удара электрод и три обмотки показывают нулевой сигнал. Внутри породы электрический ток отсутствует. После удара (примерно через 50 микросекунд) гранит начинает проводить электричество. Все три катушки и верхний электрод фиксируют внезапный скачок электрического тока, идущего через камень.
Цепная химическая реакция в горном массиве
Причины появления электрического заряда, ЭДС самоиндукции и свободных радикалов в горном массиве, приводящих к цепной химической реакции и взрывной десорбции газов в горном массиве при изменении горного давления, хорошо объяснимы в сравнении с Холодным взрывом. Холодный взрыв [14, 15] явление цепной химической реакции, происходящей при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю. Эффект был открыт в 1980 году в Институте химической физики АН СССР. Первоначально реакция была обнаружена для смеси метил циклогексана и хлора, охлаждённой до температуры ~10 К. Инициирование реакции обеспечивается лучом лазера, разбивавшим молекулы хлора на активные радикалы. В дальнейшем смесь быстро охлаждалась, превращаясь в стекловидную массу. В диапазоне температур от 60 до 10 К происходит взрыв. Механизм реакции объясняется наличием в образце деформаций сжатия, возникающих при быстром охлаждении в ходе самой реакции. При понижении температуры деформации в образце не успевают релаксировать, в породе появляются свободные радикалы, их число лавинообразно нарастает, что приводит к взрыву. Отличие процесса подвижек массива от процесса Холодного взрыва заключается в том, что в горной породе возникают не деформации сжатия, а деформации растяжения, а инициатором начала цепной реакции служит не луч лазера, а резкое изменение горного давления. А дальше всё происходит, как при Холодном взрыве - деформационные напряжения в горной породе не успевают релаксировать, в породе происходит образование свободных электронов-радикалов, электрического заряда и связанных с ним процессов электромеханических эффектов, поляризации пород, лавинообразного потока свободных радикалов, цепным реакциям растворённых в кристаллических решётках газов и обвальному деппинингу дислокаций. Всё это приводит к Деформационному взрыву, а он в свою очередь к образованию ударной волны. Основной идеей Деформационного взрыва является утверждение того, что весь процесс построен на скачкообразном изменении горного давления в массиве и появлению за счёт этого в массиве электрического заряда и как следствие к различным электромеханическим процессам в массиве, одним из которых является исход газов из кристаллической решётки пород горного массива. Это порождает перестройку кристаллической решётки и, следовательно, вся запасённая энергия сжатия кристаллической решётки реализуется в виде ударной волны. Если рассматривать процесс землетрясения и внезапного выброса с самого начала, то есть от начала формирования горного массива, то за многие миллионы лет газы атмосферы, газы углеводородов, магматические и другие газы, под действиями высоких температур и горного давления сорбировались породами горного массива в виде адсорбций, абсорбций и хемосорбций. В результате этого создавались связи с образованием устойчивых химических соединений, то есть в кристаллических решётках пород образовывались твёрдые растворы газов. Такая возможность была доказана российскими учёными, которые выполнили комплексные исследования по накачке пород газом (И.Л.Гуфельд, ОИФЗ РАН совместно коллективом НПО "Луч" МинАТОМа), исследования А.Ю. Намиота, М.М. Бондарева из Института Нефти, Л.Л. Шанина из ИГЕМ, В.В. Чердынцева из ГИН [&]. Эти опыты подтвердили, что при повышенных температурах и давлениях, газы, преодолевая энергетическое сопротивление кристаллических связей минералов и пород, вторгаются внутрь их структур, и переводят системы в метастабильную субстанцию. Фотографии каменного угля с включениями твёрдого раствора метана СН4 с помощью электронного микроскопа выполнилавтор научного открытия "Свойство органического вещества угля образовывать с газами метастабильные однофазные системы по типу твердых растворов"профессор Айруни А.Т.[19]. То есть, в процессе эволюции произошла накачка горных массивов различными газами и мы, по сути, получили целые горные зоны пород готовые к их мгновенной реализации. Теперь природе остаётся найти "запал" для этой готовой бомбы, чтобы при стечении определённых горных факторов прогремел взрыв. Одним из таких "запалов" являются свободные радикалы газов, которые образуются в горном массиве при резком падении горного давления. Общая формула образования свободных радикалов имеет следующий вид:
X→ X∙+ + e¯ / Y + e¯ → Y∙¯ (12)
В качестве примера рассмотрим прохождение цепной реакции молекулами водорода и кислорода (как наиболее изученной) Рис.7. Инициирования процесса цепной реакции:
H2 + O2→ 2OH∙ (13)
H∙ + O2→OH∙ + O∙ (14)
O∙ + H2→ OH∙ + H∙ (15)
OH∙ + H2→H2O + H∙ (16)
Мы получили три последовательные реакции (14,15,16) с суммирующей реакцией:
Н∙ + О2 + 2Н2 → ОН∙+ 2Н∙ (17)
где одна активная частица превращается в три активных частицы: атомы кислорода O∙, водорода Н∙ и свободный радикал ОН∙
Рис.7 где: O*, H*, OH╦, H2, O2- кислород, водород, их активные частицы и радикал.
Так как цепные реакции очень "капризны" к условиям, составу и прочим различным факторам, некоторые активные частицы могут погибнуть, не дав продолжения цепи, то приведённая схема реакции может выглядеть иначе. На самом деле подробная кинетическая схема химических реакций включает более 20 элементарных реакций с участием свободных радикалов в реагирующей смеси, а при наличии в системе соединений азота, углерода и других примесей число ветвей реакций существенно увеличивается. Не в этом суть, а том, что даже одного радикала с энергией 17 микро Джоуля может хватить, чтобы число активных центров начало расти в геометрической прогрессии и реакция перешла во взрывной режим. Для реакции каждой активной частицы с молекулой исходного вещества требуются миллиардные (!) доли секунды. За эти миллиардные доли секунды должны перестроиться и кристаллические решётки пород вмещающих газ, выделив при этом энергию затраченную массивом на деформацию решёток, изменив при этом свой объём и форму(!). Из практического опыта наблюдения и изучения внезапных выбросов хорошо известно, что в этом процессе могут принимать участие не только метан и водород, но и другие химические вещества. К примеру, известны внезапные одномоментные выбросы в миллионы кубических метров газа. Основными участником таких событий были газы: СH4, СО2, H2, N2 . Например, при Крымском землетрясении 1927 года [20] его очаг располагался в море и рыбаки, находящиеся в это момент в эпицентре, отметили вскипание моря и шум от выводящего из воды газа. Это указывает на то, что при землетрясении происходит резкая десорбция горного массива. Как показывает практика, все представленные в земной коре породы в процессе метаморфизма могут стать абсорбентами газов. Даже основные породы земной коры - базальты, обладающие высокой крепостью и плотностью и, казалось бы, неспособные служить адсорбентом, в процессе метаморфизма становятся идеальными очагами землетрясения. Так результаты [21] бурения сверхглубокой Тюменской скважины, полностью подтверждают этот вывод. С глубины 6424 метра скважина вскрыла толщу базальтов, которые в отличие от аналогичных по возрасту и составу пород,оказались сверхпористыми породами и превратились в идеальные адсорбенты.
Давайте рассмотрим образование малых форм землетрясений - горных ударов и внезапных выбросов с позиций возможности инициирования этого явления цепной химической реакцией. Глазами современной науки [22,23,24] газ, растворённый в горном массиве, при резком уменьшении окружающего горного давления, взрывообразно десорбируется из горного массива с выделением потенциально энергии сжатия газа и прорывается в горную выработку. Но мы прекрасно знаем, что адсорбированный газ при снятии внешнего давления переходит в свободное состояние и выделяется из породы не мгновенно, а в течение одного - двух часов. А абсорбированный газ выделяется из горного массива в течение несколько суток и недель, а хемосорбированный газ покидает горную породу в течение десятков лет и в большинстве случаев остаётся химически связанным с массивом навечно. Очевидно, что в таком случае, ни о каком резком и внезапном выбросе газового "мешка" из горного массива не может быть и речи, ибо свободного газа там нет до той минуты, пока в массиве не пройдёт цепная химическая реакция. Первый вопрос, на который мы должны ответить, это существуют ли в горном массиве те миллионы кубометров растворённого в нём газа? Ещё на заре становления угольной отрасли, немецкий химик Виктор Мейер провёл интересные опыты с определением количества газов, выделяемых из каменного угля при различных температурах [25]. Он нагревал стограммовые кубики угля с длинной ребра примерно 4 сантиметра до 3000 С и получал на выходе в среднем 1850 см3 различных газов (СО2 - 1,4%; СН4 - 98,5%; азота Ν - 0,1%). То есть пылинка угля в 1 грамм выделяет примерно 18,5 см3 газов готовых вступить в химическую реакцию. К этой цифре надо добавить примерно 20% хемосорбированного газа, а также можно с уверенностью сказать, что количество газов при увеличении температуры нагрева угля значительно возрастёт, как и скорость прохождения химических реакций. В таблице 1 приведены некоторые данные по выбросам на шахтах мира [26]: