» » Проблематика исследования энергетических процессов в горных породах

Проблематика исследования энергетических процессов в горных породах

07.08.2016

Анализ явления зональной дезинтеграции горных пород

Дальнейшее развитие теории горного давления выполнялось в направлении описания так называемого явления зональной дезинтеграции горных пород. Как считает большинство исследователей, работающих в этом направлении, зональная дезинтеграция массива горных пород вокруг подземных выработок - это физическое явление, которое активно проявляется вокруг пустот в земной коре, где гравитационная составляющая напряжений близка к пределу прочности пород на сжатие либо превышает его, что приводит к образованию кольцевых чередующихся зон разгруженных и разрушенных пород. Явление зональной дезинтеграции пород впервые было открыто в золоторудной шахте Южной Африки (1972) и далее - в СССР (1978), России (1992), Украине (2002, 2006) и т.д. Различные аспекты явления изучали исследователи из Украины, России, Казахстана, Польши, Франции, США, Канады, Японии, ЮАР, которые опубликовали несколько сотен научных трудов.
Парадоксальность явления зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок, по мнению И.И. Кайдо, заключается в том, что оно противоречит представлениям классической механики горных пород о состоянии массивов, согласно которым невозможно движение фронта запредельного деформирования от контура выработки вглубь массива с образованием зон упругого, упругопластического и пластического состояний. Это инициировало появление гипотез, отвергающих физическую реальность данного явления на протяжении 20 лет с момента открытия. В 80-х гг. активно предлагались гипотезы и математические модели на основе механики сыпучих, сплошных и дискретных сред. Принципиальным недостатком исследований этого периода было абстрагирование от истинной структуры вещества и отсутствие учета протекающих физических процессов. Для устранения этих недостатков, начиная с 90-х годов, активно разрабатывались модели, учитывающие структуру массива методами мезомеханики; а также гипотезы, основанные на закономерностях периодического горного давления, автоволновых процессов, кластеризации вещества на макро- и наноуровнях, поверхностного натяжения жидкостей, образования фракталов, самосогласованного поля, градации «темной энергии» в «темной материи» и т.п. Безуспешные попытки описания физики этого явления, как с использованием методов механики, так и новых методов горной науки, еще более повысили необходимость развития синергетических методов исследования, отвечающих современным представлениям о взаимодействии материи и энергии в природе.
Противоречивость данного явления связана с многообразием форм проявления. Анализ производственной информации по рудным месторождениям Украины показывает, что в упругих прочных породах (граниты, амфиболиты, кварциты) на глубинах свыше 1200 м (Кривбасс) интенсивно формируются зоны разнонапряженных пород, которые сопровождаются образованием кольцевидных областей повышенной трещиноватости. В упругопластичных породах (мартитовые, гетитовые руды) на глубинах свыше 900 м (Кривбасс) кольцевидные зоны пониженных напряжений разделяются интенсивно смятыми рудами. В пластичных породах (марганцевые руды, глины, суглинки) на глубинах до 350 м (Никополь-Марганецкий бассейн) активно развиваются процессы зональной конвергенции и дивергенции. При сравнении условий проявления зональной дезинтеграции горных пород с геодинамическими данными, полученными на шахтах Украины, становится очевидным, что это явление не имеет связи с пределом прочности пород на сжатие и, соответственно, с коэффициентом динамичности. Можно даже сказать, что формирование кольцевых зон вокруг выработок - это защитная реакция массива на образование полости, а все геодинамические процессы - это как раз разрушение зонально-энергетической системы, защищающей горную выработку. По нашему мнению, систему защитных зон вокруг выработки целесообразно было бы назвать предохранительной капсулой, а сам феномен - зонального капсулирования подземной выработки. По причине нераскрытая сущности данного явления сегодня оно признано исследовательской общественностью одной из сложнейших научных проблем, не поддающееся описанию на базе современных представлений физики. Это одно из первых физических явлений, для описания которого требуются философское осмысление и разработка энергетической теории с привлечением аппарата синергетики, квантовой механики, проверки сходимости результатов моделирования на мега-, макро- и микроструктурных уровнях материальных тел и окружающих их физических полей.
Формирование синергетического мышления у исследователей

Впервые термин «синергетика» был введен в 1868 г. английским физиологом Ч. Шеррингтоном, а в 1978 году Г. Хакен применяет термин «синергетика» для определения совместного действия атомов, молекул и более сложных структур. Синергетика им позиционируется как новая дисциплина, возникшая на стыке физики, химии, математики, термодинамики, биологии, социологии, философии, астрономии и других фундаментальных и прикладных наук. В 1983 г. Г. Хакен закладывает основы иерархии неустойчивости в самоорганизующихся системах. В дальнейшем теория синергетики подхватывается широким кругом исследователей всего мира. С начала 1990 г. резко возрастает интерес к теории синергетики, что объясняется высокой степенью ее универсальности, возможностью применения в любой области науки и объяснения многих, ранее не поддающихся анализу, явлений и процессов. Иными словами, человечество оказалось на пороге нового системного диалога с природой.
И. Пригожин считает, что некоторые части Вселенной действительно могут действовать как механизмы. Таковы замкнутые системы, но они, в лучшем смысле, составляют лишь малую долю физической Вселенной. Большинство же систем, представляющих для нас интерес, открытые - они обмениваются энергией и веществом с окружающей средой. Это означает, что любая попытка описать их в рамках механической модели заведомо обречена на провал. Кроме того, открытый характер подавляющего большинства систем наводит на мысль о том, что в реальности повсеместно господствуют порядок, стабильность и равновесие: главную роль в окружающем нас мире играют неустойчивость и неравновесность.
На протяжении XIX века в центре внимания исследователей находилось конечное состояния эволюции. Термодинамика этого времени была равновесной. На неравновесные процессы исследователи смотрели как на второстепенные детали, возмущения, мелкие несущественные подробности, не заслуживающие специального изучения. В настоящее время ситуация полностью изменилась. Ныне известно, что вдали от равновесия могут спонтанно возникать новые типы структур. В сильно неравновесных условиях может совершенствоваться переход от беспорядка, теплового хаоса к порядку и наоборот. Могут возникать новые динамические состояния материи, отражающие взаимодействие данной системы с окружающей и влияющей на нее средой. Если не учитывать эти обстоятельства, то мы как бы недооцениваем окружающий нас мир, вследствие чего рано или поздно приходим к тупиковым ситуациям.
Анализ западного типа рациональности мышления показывает, что в течение последних 2,5 тыс. лет в рамках европейской культуры человеческий разум (мышление) трансформировался дважды. В античную эпоху сформировался «созерцающий разум», в новое время он сменился «директивным разумом». Co второй половины XX века происходит радикальная смена типов рациональности в мышлении. Буквально на наших глазах формируется «синергетический разум». В табл. 1.7 представлена история формирования синергетического мышления у исследователей, где фоном выделен методический подход, реализуемый в работе.
Проблематика исследования энергетических процессов в горных породах

Наиболее этот процесс ощутим в области методологии, где тот или иной тип мышления предстает как бы в рафинированном виде. Научный аппарат синергетики оказался весьма гибким и удобным для описания многих проблем, стоящих перед фундаментальными и прикладными науками. Синергетика разрушает многие привычные представления и поражает необычными подходами и моделями, которые раскрывают принципы и закономерности протекания процессов нелинейного и самоорганизующегося роста. С использованием синергетических методов исследования (термодинамических, энтропийных и энергетических) открывается возможность адекватного описания горных ударов, внезапных выбросов газа, прорывов воды и других процессов перехода вещества на новые энергетические уровни.
Так, например, применительно к исследованию явления зонального капсулирования горных выработок можно выделить два основных вида движения: дезинтеграцию (дифференциацию, дивергенцию) и интеграцию (слияние, конвергенцию). Дифференциация - это отделение частей от целого. Возможны два способа дифференциации: путем изменения качества определенной области массива и создания поверхности раздела. Для исследуемого явления капсулирования присущи обе формы дифференциации. Интеграция - это слияние отдельных зон в общую капсулу. Это говорит о том, что официально принятый для описания феномена термин - зональная дезинтеграция массива является однобоким и не раскрывает природы явления как в своем названии, так и в разработанных гипотезах и предлагаемых методах исследования.
Реализация синергетических принципов в исследовании

Логика развития научного познания предполагает движение исследований от интерпретации систем как жестко детерминированных, замкнутых геомеханических структур к их описанию в качестве открытых, многоуровневых, эволюционирующих от равновесного состояния к другому. Первоначально научный анализ осваивает равновесные процессы, протекающие в веществе, поэтому, каким бы разнообразием не обладали методологические подходы исследователей, анализ ведется на одном и том же уровне. Реализуемый при этом тип мышления можно было бы, по аналогии с естествознанием, назвать «классическим». Попытки вырваться за пределы равновесных представлений характеризуют новый уровень методологического поиска, а тип мышления исследователя приобретает новый статус - «неклассический». Способность анализировать сильно неравновесные состояния материи свидетельствует о том, что исследователь поднимается на уровень «постнеклассической» науки. Развертывание постклассического естествознания связано с вовлечением в сферу научного анализа неравновесных областей исследуемых систем, чем и является массив горных пород в процессе проведения выработки.
Для полного раскрытия процесса перехода минерального вещества в новое агрегатное состояние необходим принципиально новый исследовательский инструментарий, способный выявить не только общее, но и уникальное, неповторимое, ибо в перенапряженном состоянии любой из факторов может оказаться определяющим и, следовательно, традиционное деление факторов на существенные и несущественные становится неприемлемым. А случайности, которые тщательно изгонялись из научных теорий и считались побочными и не имеющими принципиального значения факторами, начинают играть основополагающую роль.
Синергетические методы исследования, являясь по своей сути системными, разрушают многие привычные представления и поражают необычными идеями. Налицо тенденция наступления нового периода, несколько напоминающего возникновение нового научного подхода в древней Греции или его возрождения во времена Галилея. Во-первых, синергетика открывает новые принципы суперпозиций, например, «сборку» многослойного массива горных пород из отдельных пластов. Объединение слоев не сводится к их простому сложению: имеет место перекрытие областей локализации структур с дефектом энергии. Целое уже не равно сумме частей. Во-вторых, синергетика дает знание о том, как надлежащим образом оперировать со сложными системами, одной из которых является зонально структурированный массив пород, и как эффективно управлять энергетическими потоками в предохранительных капсулах, формирующихся вокруг горных выработок.
Оказывается, главное - не внешняя сила противодействия разрушению массива, а правильная точечная конфигурация воздействия на самоорганизующуюся зональную структуру, формирующуюся вокруг подземной полости. Малые, но правильно организованные - резонансные воздействия на сложные системы чрезвычайно эффективны. Это свойство сложной организации структур было выявлено еще тысячелетия назад родоначальником даосизма Лао-Цзы и выражено в вечно озадачивающей нас форме: «Слабое побеждает сильное, мягкое побеждает твердое, тихое побеждает громкое и т.д.» В-третьих, синергетика раскрывает закономерности и условия протекания быстрых, лавинообразных процессов и процессов нелинейного, самоорганизующегося роста, какими являются горные удары, внезапные выбросы газа и прорыва воды.
Идеи синергетики еще практически не осмыслены представителями технического знания и весьма редко используются для анализа исследуемых объектов. Вместе с тем, они содержат мощный эвристический потенциал, овладение которым могло бы удержать исследователей от ошибок при создании новых технологий разработки месторождений полезных ископаемых и эффективного управления состоянием массива горных пород. Так, например, геомеханика изучает закономерности простейшей формы движения относительного перемещения тел в пространстве со временем, которые в значительной степени зависят от начальных условий. Термодинамика рассматривает явления, обусловленные совокупным действием огромного количества непрерывно движущихся молекул или других частиц, из которых состоят окружающие нас тела и замкнутые системы. Благодаря очень большому количеству частиц беспорядочное движение приобретает новые качества: макроскопические свойства систем из массы частиц в обычных условиях не зависят от начального положения этих частиц, в то время как механическое состояние системы в значительной степени зависит от начальных условий. Синергетика же оперирует макроскопическими свойствами открытых систем, находящихся в уравновешенном, слабо уравновешенном и неуравновешенном состояниях. Следует подчеркнуть, что в уравновешенном состоянии система нуждается в меньшем объеме энергии и веществе, нежели в неустойчивом состоянии. В неустойчивых системах сильно развиты возбуждения и возмущения, которые в дальнейшей жизни систем играют решающую роль.
Согласно синергетической теории, когда на систему, например массив пород, вмещающий горную выработку, находящуюся в крайне неравновесном состоянии, действуют угрожающие ее структуре напряжения и деформации, наступает критический момент - система достигает точки перехода. В этой точке очень сложно предсказать, в какое состояние перейдет система. После выбора одного из многих возможных путей развития, например, формирование дополнительной зоны термодинамического баланса, вновь вступают силы детерминизма. Одной из наиболее интересных особенностей динамического состояния вещества, отражающих взаимодействие данной системы с окружающей средой, является их согласованность. Система ведет себя как единое целое и как если бы она была вместилищем дальнодействующих сил. Несмотря на то, что силы молекулярного взаимодействия являются короткодействующими, то есть действуют на расстоянии порядка 10в-8 см, система структурируется так, как если бы каждая молекула была «информирована» о состоянии системы в целом.
Так, например, на микроуровне под действием электрических полей формируются не только известные кристаллические и аморфные вещества, но также новые формы самоорганизации - фуллереноподобные нанооболочки и многое др. Структуры в неравновесном перенапряженном состоянии становятся очень чувствительными как к внутренним (устойчивость крепи, вибрация механизмов, взрывные работы), так и к внешним (изменение напряженности и температуры, газо- и водонасыщенности массива) всевозможным возбудителям. Условно можно сказать, что в состоянии равновесия массив «слеп», тогда как в сильно неравновесных состояниях он обретает способность различать слабые гравитационные, электромагнитные и электрические поля, и учитывать их в своем состоянии.
Сильно неравновесные системы могут быть названы организованными, так как усиление микроскопического возмущения, пришедшего в «нужный момент», приводит к выбору единственного пути из ряда возможных вариантов. В этих системах процессы самоорганизации соответствуют тонкому взаимодействию между случайностью и необходимостью, возмущениями и детерминистическими законами. Таким образом, вблизи точки перехода (бифуркации) в новое состояние устойчивости основную роль играют мелкие случайные возмущения из внутреннего (горная выработка) или внешнего (массив горных пород) уровня системы. Все рассматриваемые модели перехода через дезинтеграцию-интеграцию к новому энергетическому состоянию открывают перед исследователем неустойчивую структуру, в которой малые причины порождают большие следствия. Пользуясь методом дедукции, можно увидеть, что по синергетической модели развивается все что нас окружает. Исключением являются те процессы, к которым человек приложил свою энергию, пытаясь стабилизировать и уравновесить среду своего обитания.
Эффект зонального капсулирования горной выработки относится к классу явлений, происходящих в массивах в критическом состоянии - переходном процессе от равновесного к неравновесному состоянию. Основной причиной формирования неравновесного состояния является насыщение системы энергией. В некоторой критической ее части энергонасыщенность вещества инициирует формирование новых структур. Явление зонального капсулирования выработки породами реализуется при условии достижения механических напряжений, превышающих предел прочности.
«Классическое» научное мировоззрение утверждает, что повышенная энергонасыщенность порождает хаос - твердое тело плавится или сублимирует и становится жидкостью или газом, жидкость испаряется, молекулы распадаются на атомы, атомы теряют электроны и т.д. «Неклассическое» - энергонасыщенность порождает способность вещества к спонтанному повышению собственной степени упорядоченности и созданию правильных форм самоорганизации собственной структуры. Самоорганизация горных пород вокруг подземных выработок всегда протекает по неклассическому сценарию в зависимости от физических свойств горных пород, и под действием гравитации реализуются разнообразные структурные преобразования - формирование зон концентрации-разряжения напряжений, образование системы трещин, отрывов, сдвигов и смятия, развитие зон мелкодисперсных разрушений, разупрочнений, разгрузки, имеющих конкретные размеры, количество, форму и другие энергетические параметры состояния.
Эволюция состояния открытой системы частиц, формирующих горную породу в гравитационном поле Земли, не происходит по классическим законам физики, химии, геологии или механики. Эта эволюция полностью подчинена и управляется законами синергетики, которая исключает частные и одноуровневые модели в формировании фундаментальных и прикладных законов. Поэтому любая предлагаемая теория процессов в массиве земных недр, описывающая вещественные тела и связанные с ними физические поля, должна учитывать единственное синергетическое свойство вещества - возрастание энтропии, являющееся следствием влияния внешнего мира, в котором системы развиваются по законам термодинамики.