Существующая проблема. Проблема безопасности и предотвращения внезапных выбросов газа и горных пород при добыче угля остается актуальной. Одним из факторов, характеризующих выбросоопасность угольного пласта, является строение и петрографический состав угля. Сложная структура пористых сред ископаемого угля может быть описана в представления фрактальной геометрии. Обоснование структурных особенностей углей, извлекаемых из выбросоопасных пластов, необходимо для выяснения механизмов внезапных выбросов.

Постановка задачи исследования. Для характеристики гетерогенной пористой среды таких объектов исследования, как ископаемых углей, необходимо применение неразрушающих методов, позволяющих получать характеристики среды не только на основе данных о поверхности, но и из всего объема образца. Получение характеристик границ порового пространства и распределения пор по размерам возможно с помощью таких методов, как рентгенография и нейтронное рассеяние. Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (МУРР) и нейтронов (МУРН) позволяет оценить фрактальную размерность из наклона кривой рассеяния.

Цель нашего исследования - определить фрактальные характеристики иерархической структуры ископаемых углей с помощью малоуглового рассеяния тепловых нейтронов. Использовали образцы углей из ряда шахт Донбасса.

Результаты исследования. Структура угольного вещества выбросоопасных пластов характеризуется поверхностным фракталом с фрактальной размерностью D_s, близкой к значению 2.9 – 3.0 или массовым фракталом, который образован конгломератами различных минеральных включений. В угрожаемых пластах структура угля характеризуется более «гладкими» поверхностями порового пространства при значениях D_s< 2.9.

Наиболее надежно такие закономерности удается выявить при сравнении двух типов структуры углей одной стадии метаморфизма, которые образовались в одних и тех же горно-геологических условиях. Это означает, что возможно предсказать наличие зон опасных по выбросам угля и газа, анализируя иерархическую структуру образцов углей, полученных из опережающих и разгрузочных скважин при отработке пласта. Высокие значения поверхностной фрактальной размерности и повышенное содержание минеральных включений, содержащих железо и серу, могут служить критерием тектонической нарушенности структуры углей и признаком выбросоопасности угольного пласта.

Условия проведения эксперимента. Эксперименты по малоугловому рассеянию нейтронов (SANS) проводились на времяпролетном спектрометре YuMO на высокоточном импульсном реакторе ИБР-2, ОИЯИ, Дубна, Россия. Микроструктура и энергодисперсионный рентгеновский (EDX) анализ трещиноватых поверхностей образцов угля изучались методом сканирующей электронной микроскопии (JSM 6490LV JEOL). Оценивался химический состав основных химических элементов, составляющих твердую матрицу образцов.

Получены кривые рассеяния нейтронов в интервале векторов рассеяния q = (0.051‑1.36 нм^-1) для 27 образов углей различных стадий метаморфизма из шахт Центрального Донбасса.

Детали исследования. Установлены соотношения ряда параметров (полная и закрытая пористость, глубина залегания пласта, удельной поверхности пор, стадии углефикации) и поверхностной фрактальной размерностью для набора исследованных углей.

Показатель степени a зависимости интенсивности рассеяния от вектора рассеяния для углей ранних стадий метаморфизма не превышает значения 3. Т.е., эти угли можно рассматривать как массовые фракталы. Для более детального исследования зависимости a от выхода летучих V^daf, отражающего стадию метаморфизма, были уточнены значения a для каждого образца, используя двойные логарифмические координаты. По уточненным данным к массовым фракталам следует отнести не только угли марок Д и ДГ, но также отдельные образцы углей марок Ж и К. Из двух антрацитов один из них также можно рассматривать как массовый фрактал.

Особый интерес представляют также соотношения между фрактальной размерностью и некоторыми параметрами углей, характеризующихся поверхностной фрактальной размерностью (3 <a< 4). Анализ принадлежности каждой точки на Рис. 1 к типу углей показал, что наблюдается зависимость удельной поверхности пор от фрактальной размерности. Угли из выбросоопасных пластов имеют более высокие значения D_f, чем угли из пластов, отнесенных к угрожаемым.

Заключение. Данные, полученные из изотерм низкотемпературной адсорбции азота не дают полного представления о распределении пор и удельной поверхности порового пространства, поскольку относятся только к открытым порам. Метод МУРН позволяет изучать полную пористость и определить удельную поверхность всех пор, поскольку кривая рассеяния получается, как результат взаимодействия нейтронов с веществом во всем объеме образца. Полученные зависимости от фрактальной размерности позволяют обосновать методы прогноза внезапных выбросов угля и газа, учитывающих иерархическую структуру угольного вещества.