Обґрунтування параметрів витікання метану із вугілля і прогнозування часу формування небезпечних концентрацій газу у замкнутих об’ємах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України інститут фізики гірничих процесів

УДК 622.416.3:622.457

Обґрунтування параметрів витікання метану із вугілля і прогнозування часу формування небезпечних концентрацій газу у замкнутих об'ємах

05.15.11 - “Фізичні процеси гірничого виробництва”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Калугіна Надія Олександрівна

Донецьк 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики гірничих процесів НАН України (м. Донецьк)

Захист відбудеться “ 11 ” квітня 2007 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.184.02. при Інституті фізики гірничих процесів НАН України за адресою: 83114, м. Донецьк, вул. Р.Люксембург, 72

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту фізики гірничих процесів НАН України за адресою: 83114, м. Донецьк, вул. Р. Люксембург, 72

Автореферат розісланий “ 10 ” березня 2007 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради, канд. техн. наук О.В. Гладка

Аннотация

Калугина Н.А. Обоснование параметров истечения метана из угля и прогнозирование времени формирования опасных концентраций газа в замкнутых объемах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 - “Физические процессы горного производства”- Институт физики горных процессов НАН Украины, г. Донецк, 2007.

В диссертации теоретически исследована десорбция метана из угля в свободное пространство и замкнутый объем в модели, учитывающей как диффузию метана в угольных блоках, так и его фильтрацию через систему пор и трещин. Построена и решена система уравнений, описывающая десорбцию метана в угле в зависимости от времени и координаты с учетом того, что значительная часть метана, содержащегося в угле, находится в закрытых порах и в твердом растворе. В рамках этой модели построены асимптотики для больших и малых времен, выражающие зависимость от времени концентрации газа в фильтрационном объеме и в твердом растворе. В явном виде установлены зависимости скорости выхода метана из пласта от размера блоков, открытой и закрытой пористости, вязкости и растворимости метана, пластового давления и температуры. Введен и использован эффективный коэффициент диффузии в блоках, содержащих наполненные метаном закрытые поры. Доказано, что на начальном этапе свободный метан выходит из угля со временем по закону, а связанный - по линейному закону, т.е. гораздо медленнее. Показано, что, если фильтрационное время много меньше диффузионного, то метан в угле можно разделить на “быстрый” и “медленный”.

Проведены экспериментальные исследования по определению остаточного количества метана в образце угля, основывающиеся на временной зависимости параметров спектров ядерного магнитного резонанса на ядрах водорода 1Н от его содержания в составе метана, сорбированного углем.

Исследована кинетика выхода метана из каменных углей путем десорбции в вакуумированный сосуд известного объема. Установлено, что время образования опасной концентрации метана вследствие истечения его из угля в замкнутый объем при отсутствии проветривания прямо пропорционально квадрату размера угольных фракций, обратно пропорционально квадрату природной метаноносности угля и фильтрационной проницаемости метана в угле, а также зависит от открытой, закрытой пористости угля и растворимости метана в угле.

На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны “Методика измерения объема закрытых пор в угле”, которая используется при определении полной пористости угля и метод расчета времени образования опасной концентрации в бункерах в условиях аварийной ситуации при прекращении проветривания.

Экономический эффект от безаварийной эксплуатации шахтных аккумулирующих бункеров, исключающей затраты на восстановление в случае взрывов метановоздушной смеси и угольной пыли составляет более 500 тыс. грн. в зависимости от условий конкретного предприятия.

Ключевые слова: метан, уголь, массоперенос, твердотельная диффузия, фильтрация, концентрация метана, закрытая пористость.

Анотація

Калугіна Н.О. Обґрунтування параметрів витікання метану із вугілля і прогнозування часу формування небезпечних концентрацій газу у замкнутих об'ємах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.11 - “Фізичні процеси гірничого виробництва”- Інститут фізики гірничих процесів НАН України, м. Донецьк, 2007.

В дисертації теоретично була досліджена десорбція метану з вугілля у вільний простір і замкнутий об'єм в моделі, що враховує як дифузію метану у вугільних блоках, так і його фільтрацію через систему пор і тріщин. Була побудована система рівнянь, що описує десорбцію метану в вугіллі залежно від часу і координати з урахуванням того, що значна частина метану, що міститься у вугіллі, знаходиться в закритих порах і в твердому розчині. В явному вигляді встановлена залежність швидкості виходу метану з пласта від розміру блоків, відкритої і закритої пористості, в'язкості і розчинності, пластового тиску і температури. Були проведені експериментальні дослідження, в яких визначалась залишкова кількість метану в зразку вугілля методом, що ґрунтується на залежності від часу параметрів спектрів ядерного магнітного резонансу на ядрах водню 1Н, від його вмісту в складі метану, сорбованого вугіллям. Кінетика виходу метану з кам'яного вугілля вивчалася шляхом десорбції у вакуумовану посудину відомого об'єму. На основі збігу теоретичних і експериментальних кривих десорбції метану в замкнутий об'єм при відповідному виборі параметрів, був запропонований метод визначення коефіцієнта фільтрації метану у вугіллі. На основі теоретичних і експериментальних досліджень розроблено “Методику визначення об'єму закритих пор вугілля”, що використовується для визначенні загальної пористості вугілля і метод розрахунку часу утворення небезпечної концентрації в бункерах в умовах аварійної ситуації при припиненні провітрювання

Ключові слова: метан, вугілля, масоперенос, твердотільна дифузія, фільтрація, концентрація метану, закрита пористість.

Abstract

Kalugina N.A. Substantiation of the parameters of methane outflow from coal and predicting the time of formation of dangerous gas concentrations in closed volumes. - Manuscript.

Thesis for Candidate of Science (Engineering) degree in specialty 05.15.11 “Physical processes of mining”.- Institute for Physics of Mining Processes, National Academy of Sciences of Ukraine, Donetsk, 2007.

The present thesis gives a theoretical analysis of methane desorption from coal into a free space and a closed volume. The developed model accounts for both methane diffusion in coal blocks and its filtration through the system of pores and cracks. A system of equations is derived and solved, which describes the dependency of methane desorption on time and coordinate, accounting for the fact that the substantial fraction of methane contained in coal is located in closed pores and in the solid solution. The explicit dependencies of rate of methane escape from bed on the blocks size, the closed and open porosity, the methane viscosity and solubility, the bed pressure and the temperature are established. It is shown that at a hindered diffusion methane is distinctly divided into the “fast” and the “slow” one.

Experimental investigations were carried out for measuring the residual amount of methane in a coal sample. The experimental technique was based on the temporal dependency of the parameters of nuclear magnetic resonance spectra occurring on the 1H hydrogen nuclei, which enter methane sorbed by coal. Kinetics of methane escape from black coal by means of desorption into a vacuumed vessel of a fixed volume was studied. A relationship was established for the time of reaching the dangerous methane concentration, depending on the parameters of the mined coal - methane system and the technological characteristics.

Key words: methane, coal, mass transfer, solid-state diffusion, filtration, methane concentration, closed porosity.

вугілля метан витікання концентрація

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Особлива роль у фізичних процесах, пов'язаних з видобутком вугілля, належить газу метану, який міститься в значній кількості в багатьох вугільних родовищах. При порушеннях цілісності вугільного пласта, у тому числі при веденні добувних робіт, газ десорбується з пласта і надходить до виробленого простору. Його скупчення можуть призвести до вибухів і пожеж. Виділення метану із здобутого вугілля, як показує практика, стає причиною утворення вибухонебезпечного газового середовища при зберіганні і транспортуванні вугілля. Тому вирішення питань зменшення впливу метану на інтенсивність гірничих робіт та створення безпечних умов праці залишаються актуальними, особливо з переходом шахт на великі глибини і проведенням гірничих робіт в складних гірничо-геологічних умовах. Успішне вирішення цих задач пов'язане із вивченням складу метану у вугільній речовині і кінетики його витікання, що може стати не лише основою нових методів прогнозу вибухонебезпеки, але і надати фізичний базис для оцінки рентабельності видобування газу метану із вугільних пластів, як альтернативного виду палива.

Зараз труднощі вивчення кінетики виходу газу з дрібнодисперсних і пористих матеріалів обумовлені своєрідністю механічних, хімічних і структурних параметрів цих речовин. Так, в кам'яному вугіллі, різний ступінь метаморфізму, неоднорідна пористість і тріщинуватість, глибина залягання, ряд фізичних факторів визначають широкий спектр параметрів, які впливають на швидкість потоку газу. Вивчення сукупного впливу цих параметрів на масоперенос метану у вугіллі є вельми важливою проблемою для фізики гірничих процесів. А вивчення кінетики метановиділення з викопного вугілля з урахуванням його структури, властивостей газу і зовнішніх умов (температура, тиск), в яких перебуває система “вугілля - газ”, являється актуальним науковим і прикладним завданням, вирішення якого дасть змогу значно підвищити ефективність і безпечність гірничих робіт на шахтах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною наукових досліджень Інституту фізики гірничих процесів НАН України, яка пов'язана з дослідженням кінетики газовиділення з викопного вугілля, фазового стану та кількості метану в ньому для підвищення рівня безпеки праці (№ДР 0104U003806, № ДР 0105U006751, №ДР 0103U008342).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає у визначенні закономірностей і обґрунтуванні параметрів масопереносу метану у викопному вугіллі, що відбувається шляхом твердотільної дифузії і фільтрації та розробці на цій основі методу розрахунку часу утворення його небезпечної концентрації у замкнутих об'ємах.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

розробити модель витікання метану із вугілля при спільній дії двох механізмів масопереносу: фільтрації і твердотільної дифузії з урахуванням параметрів системи “вугілля - газ”;

дослідити особливості кінетики виходу метану з вугілля у вільний і замкнутий об'єм із врахуванням як відкритої, так і закритої пористості, встановити закономірності внесків дифузії і фільтрації в загальний процес витікання метану, вплив масштабного фактору, вивчити роль адсорбованого метану в процесі його виходу із вугільної речовини;

розробити метод розрахунку часу утворення небезпечної концентрації метану в замкнутому об'ємі та методику визначення об'єму закритих пор вугілля.

Ідея роботи полягає в одночасному урахуванні двох процесів газовиділення - фільтрації і твердотільної дифузії при прогнозуванні часу утворення небезпечної концентрації метану в замкнутому об'ємі.

Об'єкт дослідження - метан у вугільній речовині.

Предмет дослідження - процеси газовиділення із вугілля у вільний простір і замкнутий об'єм.

Методи дослідження. В роботі використаний комплексний метод досліджень, який включає аналіз відомих положень з даної проблеми; теоретичні дослідження виходу метану у вільний і обмежений об'єм, засновані на методах статистичної фізики, термодинаміки; методи математичного моделювання, розв'язування систем диференціальних та інтегральних рівнянь, асимптотичного аналізу, чисельного розв'язування систем рівнянь; експериментальні дослідження десорбції метану у вакуумовану посудину відомого об'єму, метод ядерного магнітного резонансу на ядрах водню 1Н.

Основні наукові положення, які виносяться на захист:

1. Швидкість виходу метану з вугілля визначається коефіцієнтами твердотільної дифузії і фільтраційної проникності при спільному протіканні цих процесів, відкритою і закритою пористістю, розчинністю. При цьому, на початковому етапі газовиділення, зміна концентрації вільного метану у вугільній речовині від часу підкоряється закону кореня квадратного, а зв'язаного - лінійному, що дозволило визначити основні параметри витікання метану з вугілля.

2. Час утворення небезпечної концентрації метану внаслідок витікання його з вугілля в замкнутий об'єм при відсутності провітрювання прямо пропорційний квадрату розміру вугільних фракцій, обернено пропорційний квадрату природної метаноносності вугілля і фільтраційній проникності метану у ньому, а також залежить від відкритої, закритої пористості і розчинності метану у вугіллі, що стало основою для розробки методу розрахунку часу утворення небезпечної концентрації метану в замкнутому об'ємі.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Розроблена фізична модель витікання метану у вільний простір та обмежений об'єм, відмінна від інших тим, що був врахований взаємний вплив процесів фільтрації і твердотільної дифузії.

2. Розроблений метод розрахунку часу утворення небезпечної концентрації метану в замкнутому об'ємі, що вперше враховує відкриту і закриту пористість вугілля, розчинність і фільтраційну проникливість метану у вугіллі.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій визначається використанням в теоретичних дослідженнях - фундаментальних положень фізики твердого тіла, статистичної фізики, термодинаміки, газодинаміки; експериментальних апробованих методів (ЯМР, вимірювання сорбції, десорбції); розробленими і апробованими програмами чисельного розрахунку систем інтегральних і диференціальних рівнянь параболічного типу, які описують витікання метану з вугілля; збіжністю теоретично розрахованих і експериментально заміряних величин з похибкою не більше 15%.

Наукове значення роботи полягає у встановленні нових закономірностей кінетики газовиділення із вугільної речовини з урахуванням спільного протікання двох процесів газовиділення - фільтрації і твердотільної дифузії, а також у визначенні основних параметрів витікання метану із вугілля з метою прогнозування часу утворення небезпечної концентрації газу у замкнутих об'ємах.

Практичне значення отриманих результатів. На основі результатів, отриманих у роботі, розроблені метод розрахунку часу утворення небезпечної концентрації метану в замкнутих об'ємах і методика визначення об'єму закритих пор у викопному вугіллі, що використовуються для забезпечення безпечності робіт на вугледобувних підприємствах.

Реалізація результатів роботи. Отримані в роботі результати, прийняті до використання Центральним штабом ДВГРС України для розрахунку часу утворення небезпечної концентрації метану в шахтних акумулюючих бункерах , а також використовуються МакНДІ при вирішенні задач забезпечення нормального режиму вентиляційної мережі шахт Донбасу.

“Методика визначення об'єму закритих пор вугілля” передана МакНДІ і використовується при розробці ефективних методів прогнозу і запобігання раптових викидів вугілля і газу.

Розроблена “Програма розв'язання системи інтегро - диференційних рівнянь, що описує вихід загальної кількості метану з пласта з урахуванням фазового розподілу метану у вугіллі” передана у ДНТУ для використання у навчальному процесі на гірничих та гірничо - геологічних спеціальностях.

Очікуваний економічний ефект від впровадження результатів дисертації складає більше 500 тис. грн., в залежності від умов конкретного підприємства.

Особистий внесок автора. В публікаціях із співавторами, автору належать основні теоретичні розрахунки і експериментальні результати, а також в деяких випадках і первинна постановка задачі. Автору належить розробка і використання алгоритму та програми чисельного інтегрування диференціальних рівнянь параболічного типу, що описують процес витікання метану з вугілля. Автором проведений аналіз експериментів з вивчення кількості метану у вугіллі методом ядерного магнітного резонансу на ядрах водню 1Н і кінетики виходу метану з вугілля шляхом десорбції у вакуумовану посудину відомого об'єму.

Апробація результатів роботи. Основні положення роботи доповідалися, обговорювалися і отримали схвалення на наукових семінарах і засіданнях вченої ради ІФГП НАНУ, на наукових конференціях: XIV і XVI Міжнародній науковій школі ім. Академіка С. А. Христіановича “Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления” (Алушта, 2004, 2006), науково - практичній конференції “Пути повышения безопасности горных работ в угольной отрасли” (Макіївка, 2004), Statistical Physics 2005: Modern Problems and New Applications (Lviv, 2005), IV Міжнародній науково - практичній конференції “Метан вугільних родовищ України” (Дніпропетровськ, 2006)

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 друкованих робіт, серед яких 6 статей у спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України, 3 - у матеріалах конференцій.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, додатків і списку літературних джерел з 103 найменувань. Робота містить 161 сторінку, включаючи 31 рисунок, 8 таблиць та 7 додатків.

2. Основний зміст роботи

Перший розділ присвячений аналізу актуальності і стану проблеми масопереносу метану у вугіллі, динаміки метановиділення, яке призводить до утворення вибухонебезпечних концентрацій метану.

Дослідження по газовиділенню із вугілля нерозривно пов'язані із вивченням структури вугільної речовини і форм складу метану в ньому. Великий внесок в наукове обґрунтування цих питань належить Айруні А.Т., Алєксєєву А.Д., Голубєву О.А., Ван Кревелену, Саранчуку В.І., Скочинському О.О., Софійському К.К., Смоланову І.М., Ходоту В.В., Цирульнікову А.С., Еттінгеру І.Л., Яновській М. Ф., та ін. Як показав аналіз праць, до цього часу відсутня єдина модель структури вугілля і характеру десорбції в ньому метану. Існуючі фізико-математичні моделі, які описують рух метану у викопному вугіллі, можна розділити на декілька груп. В одних масоперенос метану описується рівнянням фільтрації, побудованому на основі закону Дарсі, інші ґрунтуються на рівнянні дифузії. Ряд авторів, вважаючи, що основна маса метану знаходиться в адсорбційній фазі, пропонують моделі, параметри яких пов'язані з адсорбційними характеристиками газу.

При дослідженні процесу масопереносу метану у вугіллі, авторами не враховується наявність в структурі вугілля закритих пор і можливість виходу з них значної кількості метану. Не дивлячись на неодноразові висловлювання в літературі про те, що процес виходу метану з вугілля здійснюється шляхом фільтрації і дифузії, не існує фізико-математичної моделі, що враховує взаємний вплив цих процесів.

Існуючі в інженерній практиці методи розрахунку газовиділення часто базуються на емпірично побудованих закономірностях і не враховують вплив мікроструктури вугільної речовини на кінетику процесів сорбції і десорбції метану в системі вугілля - газ.

Таким чином, аналіз існуючих уявлень про кінетику газовиділення з викопного вугілля свідчить про те, що не існує розробленої моделі, котра враховує сукупний вплив характеристик структури вугілля, властивостей газу і спільного протікання фільтрації і дифузії, що призводить до відсутності фізично обґрунтованих методів розрахунку метанонакопичення в замкнутих об'ємах.

В другому розділі розвинена модель виходу метану з вугільного пласта у вироблений простір. При побудові математичної моделі фізика процесу розглядається таким чином.

Метан у вугільному пласті знаходиться у вільному газоподібному стані в системі пор, тріщин, що сполучаються із зовнішньою поверхнею вугільного пласта (фільтраційному об'ємі); в адсорбційній плівці на поверхні непорушених фрагментів (блоків) вугільної речовини; у вигляді твердого розчину в об'ємі блоків. Всередині кожного блоку є система закритих пор (не поєднана каналами з фільтраційним об'ємом), в яких метан міститься в газоподібному стані і в адсорбованому - на поверхні пор. В природному пласті метан знаходиться у рівноважному стані, розподіляючись між фільтраційним об'ємом, блоками та їхньою поверхнею таким чином, щоб хімічний потенціал метану був однорідним вздовж пласта. Зв'язок між концентрацією газу в твердому розчині і його густиною в газоподібному стані підкоряється закону Генрі. Кількість молекул метану на поверхні пор і тріщин описується ізотермою Ленгмюра.

При порушенні рівноваги пласта, наприклад, в результаті проведення виймання вугілля, буріння свердловин та інших видів впливу, починається масоперенос метану, його десорбція і витікання в область зниженого тиску.

Особливість явища витікання метану з вугільного пласта полягає в накладенні двох процесів масопереносу: 1) фільтрації газу через систему відкритих каналів, тріщин і пор; 2) дифузії метану з твердого розчину (блоків) у фільтраційний об'єм.

Провідним процесом є фільтрація. За мірою фільтрації, тиск газу у фільтраційному об'ємі зменшується, що створює передумову виникнення термодинамічної сили для десорбції метану з блоків у фільтраційний об'єм шляхом дифузії.

Розглянемо пласт у вигляді горизонтально протяжного шару довжиною L ( рис.1). Припустимо, що зміна густини газу с (і, відповідно, тиску P) відбувається вздовж простягання шару (вісь x).

Пласт складається з блоків вугільної речовини, розділених системою відкритих тріщин і пор, які сполучаються із зовнішньою поверхнею пласта, зокрема, з межею виробленого простору (x=L). Для спрощення розрахунків ми припускаємо, що всі блоки являють собою кулі радіусом R.

Для кількісного описання фільтраційно - дифузійного процесу витікання метану з вугільного пласта побудована система двох рівнянь. Одне базується на основному рівнянні теорії фільтрації (рівняння Дарсі), друге описує рух газу шляхом твердотільної дифузії в блоці:

де , - концентрація метану в блоці, - густина в фільтраційному об'ємі, D - коефіцієнт твердотільної дифузії метану у вугіллі, н - розчинність, г0 - відкрита пористість, г - закрита пористість, с0 - початкова густина в фільтраційному об'ємі, c0 - початкова концентрація метану в твердому розчині (c0= нс0), S - переріз розсіяння при зіткненні молекул метану, Df - коефіцієнт фільтрації (, d-середній діаметр фільтраційного каналу, - середня швидкість теплового руху молекул), - об'єм влаштування молекули метану в структуру поверхні блока,-“обертальна температура”, - маса молекули метану, I - момент інерції цієї молекули, Т - абсолютна температура в енергетичних одиницях, - енергія зв'язку с поверхнею.

Початкові умови до системи (1) складаються з того, що

(2)

Гранична умова на лівому кінці пласта відбиває непроникність цієї межі:

. (3)

На умовній межі пласта (x=L) вважаємо, що

, (4)

де pL - тиск газу у виробленому просторі.

В ході розв'язування задачі виділені безрозмірні параметри, що визначають темп десорбції метану з вугільного пласта. Визначальним параметром являється параметр А, який являє собою квадратний корінь з відношення характерного часу td дифузії метану із окремого блоку до характерного часу tf фільтрації метану з пласта:

де td і tf - реальні розмірні часи. Швидкості витікання метану з пласта суттєво відрізняються у випадках А<<1 і А>>1, тобто td << tf і td >> tf. Іншими словами, дуже важлива ієрархія часів дифузії і фільтрації.

Асимптотичний аналіз побудованої системи для довільного значення параметра А показує, що на початковому етапі кількість метану, який вийшов з фільтраційного об'єму, пропорціональна , а кількість метану, який вийшов з блоків, пропорціональна t, тобто набагато менша, ніж з фільтраційного об'єму, мається на увазі, у процентному співвідношенні. Показано, що коли фільтраційний час набагато менший дифузійного (рис.2), то метан у вугіллі можна чітко розділити на “швидкий” і “повільний”. Швидкий вихід метану, що здається, зовсім не означає, що метан в пласті не залишився. Навпаки, досить велика кількість метану, що збереглася в твердому розчині блоків і в закритих порах, буде ще дуже довго виходити з пласта. Знайдено розподіл метану вздовж пласта у довільний момент часу. Також знайдена загальна кількість метану, що залишилася в пласті у довільний момент часу, кількість метану в блоках, системі відкритих пор і в адсорбованому вигляді. Показано, що адсорбований газ не відіграє суттєву роль в кінетиці виходу метану з вугілля.

Таким чином, основними параметрами, що впливають на характер витікання метану з вугілля, являються коефіцієнт фільтрації, ефективний коефіцієнт дифузії, радіус блока, товщина пласта, величини закритої і відкритої пористості.

У третьому розділі розглянуто витікання метану з вугілля в замкнутий резервуар в умовах спільного протікання двох фізичних процесів - фільтрації і дифузії.

Як і в попередньому розділі, припускається, що вугілля складається з блоків, “заглиблених” в систему відкритих (тобто зв'язаних із зовнішнім середовищем) пор, тріщин і каналів. Метан в цьому фільтраційному об'ємі знаходиться у вільному газоподібному стані і характеризується густиною с (м-3), яка залежить в нерівноважному стані, як від координат, так і від часу. Всередині блока знаходяться закриті пори (їхній сумарний об'єм із розрахунку на одиницю об'єму вугілля визначимо буквою г), в яких метан також знаходиться в газоподібному стані. В тіло блока метан входить помолекулярно, утворюючи твердий розчин з концентрацією c (м-3), що залежить, при відсутності рівноваги, від координат і часу.

Вугілля, перебуваючи в посудині, складається з окремих кусків (гранул), які відрізняються один від одного за розміром. В загальному випадку характерний час виходу метану з всієї його маси залежить від розподілу гранул за розміром. Для спрощення вважається, що всі куски вугілля являються кулями однакового радіуса L, а всі блоки представляють собою кулі однакового радіусу R. Звичайно розмір блока R завжди набагато менший L.

Сумарний об'єм, який зайнятий гранулами вугілля, позначимо Vc, а об'єм частини посудини, що залишилася - Vf .

Припускається, що на початковий момент (момент завантаження вугілля в посудину), густина метану в фільтраційному об'ємі дорівнює с0 і газ рівномірно розподілений у об'ємі кожної з гранул. Концентрація сорбованого метану в твердому розчині підкоряється закону Генрі.

Витікання метану відбувається таким чином. Спочатку газ із фільтраційного об'єму направляється із гранули в незайнятий вугіллям об'єм Vf, тиск газу всередині гранули знижується, завдяки чому починається процес дифузійного масопереносу сорбованого метану з блока в фільтраційний об'єм. Відбувається фільтрація газу з одночасним підживленням фільтраційного об'єму метаном, розчиненого в блоках.

Масоперенос газу шляхом твердотільної дифузії в блоці доповнюється фільтрацією метану з гранул, яка описується рівнянням:

Концентрація на поверхні блока пов'язана з густиною газу на ділянці фільтраційного об'єму, що прилягає до цього блоку, законом Генрі:

. (7)

На межі вугільної гранули, тобто при x=L, виконується вимога

,

де n(t) - густина газу в вільній від вугілля частині посудини.

Саме ця остання величина є основним інтересом і вимірюється експериментально.

В початковий момент газ у вільному об'ємі відсутній, тобто n(0)=0 .

Початкові умови задачі наступні:

; ; . (8)

Сформульована задача розв'язується методом перетворення Лапласа за часом всіх невідомих величин.

Був розроблений прийом розв'язання задачі про десорбцію на основі введення розподілених у просторі вугільної гранули граничних умов. Показано, що процес десорбції чітко розподіляється на три етапи. Тривалість етапів визначається часом дифузії і фільтрації. Доведено, що час десорбції слабо залежить від ступеня заповнення резервуару вугіллям.

В результаті розв'язку отримано, що концентрація метану в замкнутому об'ємі до моменту t складе (час вимірюється в одиницях td):

Згідно проведеним дослідженням, рівноважна концентрація метану в закритій місткості складе:

.

Величина гe, згідно визначенню і відповідно до наявних даних по відкритій і закритій пористості, розчинності коливається в межах 0,1ч1. Величина відношення вільного і зайнятого об'ємів g на практиці перевершує одиницю. Добуток с0гe - це початкова газоносність вугілля. Вона складає деяку частку від природної газоносності, оскільки відторгнуте від масиву вугілля не відразу потрапляє до бункеру або іншу місткість. Природна метаноносність вугілля Донецького басейну коливається в межах 3ч40 м3 на тонну вугілля. Таким чином, зазвичай, рівноважна концентрація набагато перевищує вибухонебезпечну. У такому разі, дорівнюючи праву частину формули (9) критичній концентрації, наприклад 0,03n0 (n0 - число Лошмідта), можна отримати оцінку часу досягнення вибухонебезпечної концентрації:

, при ; , при .

Таким чином, час досягнення критичної концентрації обернено пропорційний квадрату метаноносності і прямо пропорційний квадрату відношення вільного і зайнятого об'ємів. Він також пропорційний більшому з часів фільтрації і дифузії.

Четвертий розділ присвячений експериментальному дослідженню особливостей десорбції метану із зразків викопного вугілля марок Д, Г, Ж, К, Т і А в рамках моделі, що була розроблена.

Для досліджень використано метод ядерного магнітного резонансу (ЯМР) на ядрах водню 1Н. Була розроблена спеціальна методика визначення залишкової кількості метану в зразку вугілля, що ґрунтується на залежності від часу параметрів спектрів ядерного магнітного резонансу на ядрах водню 1Н у складі метану, сорбованого вугіллям. Було отримано збіг експериментальної кривої з результатами теоретичного розрахунку з похибкою не більше 15% . На основі порівняння експериментальних і теоретичних кривих був запропонований метод визначення коефіцієнта фільтрації метану у вугіллі. Розрахунок показав, що для досліджуваних марок вугілля значення коефіцієнта фільтрації складають 1,5•10-8-2,6•10-6cм2/с.

Кінетика виходу метану з кам'яного вугілля вивчалася шляхом десорбції його у вакуумувану посудину відомого об'єму. Після дроблення і відсіву на ситах вугілля сушилося при температурі не вище за 1000 С. Закінчення процесу висушування визначалося відсутністю вузької лінії в спектрі ЯМР 1Н.

В процесі підготовки і проведення експериментів виконувалися наступні умови: а) різні за розміром фракції готувалися з одного шматка вугілля; б) насичення метаном проводилося при однаковому тиску газу; в) реєстрація десорбції припинялася після того, як зміна тиску газу в накопичувальній посудині була менше 1 мм рт. ст. за добу.

На рис. 3 представлені результати вимірювань десорбції метану з вугілля марки Д для фракцій 0,2 - 0,25 мм і 2,0 - 2,5 мм.

Відмінність кривих 1 і 2 обумовлені різним об'ємом пор, що містяться у фракціях, відмінних розмірами на порядок.

З метою оцінки газоносності вугільного пласта, що складе частину прогнозу газодинамічно небезпечних зон і газоносності вугільних пластів і порід, що вміщують, була розроблена “Методика визначення об'єму закритих пор вугілля”.

В основу методики визначення об'єму закритих пор вугілля покладено визначення початкового тиску p0 стислого метану у закритих порах і його кінцевого значення p після досягнення сорбційної рівноваги. Особливістю методу, що пропонується є контроль наявності води і метану в закритих порах вугілля по вузькій лінії в спектрі ЯМР вугілля. Розрахунок об'єму закритих пор г одиниці маси викопного вугілля і гірських порід по експериментальних значеннях тиску p0, p, маси проби m і об'єму вільного простору V проводиться за формулою:

. (10)

Значення об'єму закритих пор, що були отримані, змінюються в діапазоні 0,096 - 0,911 см3/г с.б.м. Показано, якщо не враховувати їх об'єм, то помилка при визначенні загальної пористості може скласти 300%.

Таким чином, експериментальні дослідження показали, що на характер десорбції метану з вугілля впливають розмір вугільної фракції, коефіцієнт фільтрації, дифузії, величина закритої і відкритої пористості.

У п'ятому розділі викладений метод розрахунку часу утворення небезпечної концентрації метану в замкнутих об'ємах. Оскільки основна частина метану в рудниковій атмосфері утворюється з відбитого вугілля, то в умовах тривалого знаходження високогазоносного вугілля в замкнутому об'ємі, що не провітрюється, яким може бути акумулюючий бункер, може виникнути аварійна ситуація, що провокує вибух метаноповітряної суміші.

Отримані в результаті теоретичних і експериментальних досліджень результати, дають можливість оцінювати ступінь дегазації зруйнованого вугілля при транспортуванні до акумулюючого бункера і фактично визначають початкові умови до встановлення в ньому рівноважної концентрації і часу її формування з урахуванням гранулометричного складу і структури кожної марки вугілля, що здобувається. Пропонований інтегральний показник визначення часу утворення небезпечної концентрації метану з урахуванням перерахованих чинників, дозволяє внести доповнення до існуючого галузевого стандарту України “Провітрювання шахтних накопичувальних бункерів вугілля в нормальному режимі роботи і в аварійних ситуаціях. Методи розрахунків”.

При порушенні ритмічної роботи транспорту і у разі аварійної ситуації при припиненні провітрювання в шахтних акумулюючих бункерах може утворитися вибухонебезпечна концентрація метану за час t*:

де L - радіус вугільної фракції; Q - природна метаноносність вугілля (м3/т), - щільність вугілля (т/м3); (Vc сумарний об'єм, що займають грудки вугілля, Vf - об'єм вільної частини бункера). Параметр на практиці означає час від моменту відторгнення вугілля від масиву до припинення вентиляції, включаючи час транспортування вугілля від місця видобутку до бункера і час перебування в бункері.

Для розрахунку часу утворення вибухонебезпечної концентрації метану в бункері необхідно експериментально визначити наступні параметри: середній радіус частинок вугілля L, коефіцієнт фільтрації метану з вугілля Df,, закриту пористість вугілля г, відкриту пористість г0. Значення g і Q приймаються за фактичними даними шахти.

Середній розмір частинок вугілля, що поступають в накопичувальний бункер, визначається на основі аналізу фракційного складу по формулі , де n - кількість фракцій вугілля; i - номер фракції; mi - частка i - ої фракції. За відсутності даних про фракційний склад вугілля в бункері приймають середній радіус частинок L=1,5 см. Об'єм відкритих пор г0 визначається згідно “Методиці визначення об'єму закритих пор вугілля”, розробленій у ІФГП НАН України і узгодженої з територіальним управлінням Держгірпромнагяду по Донецькій області. Залежність часу утворення різноманітної концентрації метану для різних значень метаноносності Q представлена на рис 4. Результати експериментального визначення вихідних параметрів і часу утворення небезпечної концентрації метану в бункерах деяких шахт приведені в табл.1. Розрахунок виконаний для випадку досягнення концентрації = 4% і g=1. Викладені дослідження дозволять інженерно - технічним працівникам шахт і органам гірничого нагляду не тільки отримати наукове обґрунтування фізичних параметрів газодинамічних процесів, що відбуваються в підземних виробках, але і виявити причини можливого загазування останніх, та як слідство, своєчасно ухвалити оптимальні технічні рішення по створенню безпечних і безаварійних умов гірничих робіт. Очікуваний економічний ефект від безаварійної експлуатації шахтних акумулюючих бункерів, що виключає витрати на відновлення у разі вибухів метаноповітряної суміші і вугільного пилу може скласти більше 500 тис. грн. залежно від умов конкретного підприємства

Висновки

Дисертація є закінченою науково дослідною роботою, в якій отримане нове вирішення актуальної науково - технічної задачі, що полягає у визначенні кінетики газовиділення з вугільної речовини з метою прогнозування часу утворення небезпечних концентрацій метану в замкнутих об'ємах на основі встановлених закономірностей витікання метану з вугілля з урахуванням коефіцієнта твердотільної дифузії і фільтраційної проникності, масштабного фактору, відкритої і закритої пористості, розчинності.

Основні наукові результати і висновки, одержані при виконанні роботи, полягають в наступному:

Аналіз існуючих уявлень про кінетику газовиділення з викопного вугілля свідчить про те, що не існує розробленої моделі, що враховує сукупний вплив характеристик структури вугілля, властивостей газу і сумісного протікання фільтрації і твердотільної дифузії, що призводить до відсутності фізично обґрунтованих методів розрахунку метанонакопичення в замкнутих об'ємах.

Розвинена модель виходу метану з вугілля, як у вільний простір, так і в замкнутий об'єм. В цій моделі вважається, що вихід метану відбувається шляхом просочування газу через систему фільтраційних каналів і одночасно йде підживлення цих каналів метаном, який дифундує з блоків.

Введено і використано ефективний коефіцієнт твердотільної дифузії метану в блоках. Він враховує наявність закритої пористості, тобто наявність в блоках системи пор, що не пов'язана каналами з фільтраційним об'ємом.

Виписана і розв'язана асимптотично і чисельно система рівнянь, що описує десорбцію метану з вугільного пласта. В явному вигляді, на всіх етапах процесу витікання, була отримана швидкість виходу метану з вугілля і її залежність від коефіцієнтів дифузії і фільтрації, масштабного фактору, відкритої і закритої пористості, розчинності.

Доведено, що на початковому етапі вільний метан з часом виходить з вугілля згідно із законом, а зв'язаний - за лінійним законом, тобто набагато повільніше. Показано, що, якщо час фільтрації набагато менший від дифузійного, то метан у вугіллі можна чітко розділити на “швидкий” і “повільний”.

Встановлено, що час утворення небезпечної концентрації метану внаслідок його витікання із вугілля в замкнутий об'єм за відсутності провітрювання прямо пропорційний квадрату розміру вугільних фракцій, обернено пропорційний квадрату природної метаноносності вугілля і фільтраційній проникності метану у вугіллі, а також залежить від відкритої, закритої пористості вугілля і розчинності метану у вугіллі.

Проведені експериментальні дослідження, в яких визначалась залишкова кількість метану в зразку вугілля методом, що ґрунтується на залежності від часу параметрів спектрів ядерного магнітного резонансу на ядрах водню 1Н, від його вмісту в складі метану, сорбованого вугіллям. Була отримана збіжність теоретично розрахованих і експериментально заміряних величин з похибкою не більше 15%.

Кінетика виходу метану з кам'яного вугілля вивчалася шляхом десорбції у вакуумовану посудину відомого об'єму. На основі аналізу теоретичних і експериментальних кривих десорбції метану в замкнутий об'єм вибрані параметри і запропонований метод визначення коефіцієнта фільтрації метану у вугіллі.

На основі теоретичних і експериментальних досліджень розроблено “Методику визначення об'єму закритих пор вугілля”, що використовується для визначення загальної пористості вугілля, метод розрахунку часу утворення небезпечної концентрації в бункерах в умовах аварійної ситуації при припиненні провітрювання. Очікуваний економічний ефект від його впровадження складає більше 500 тис. грн. залежно від умов конкретного підприємства.

Основні положення і результати дисертації опубліковані в наступних роботах

1. Алексеев А.Д., Фельдман Э.П., Василенко Т.А., Молчанов А.Н., Калугина Н.А. Массоперенос метана в угле, обусловленный совместно фильтрацией и твердотельной диффузией // Физика и техника высоких давлений. - 2004. - Т. 14, № 3.- С. 107-118

2. Калугина Н.А. Асимптотическое решение задачи выхода метана из угольного вещества //Физико - технические проблемы горного производства. - Донецк: 2004. Вып. 7.- С. 236-242.

3. Алексеев А.Д., Васильковский В.А., Калугина Н.А. Кинетика и механизмы десорбции метана из угля //Физико - технические проблемы горного производства. - Донецк: 2005. Вып. 8.- С. 59-71.

4. Alexeev A. D., Ulyanova E.V., Kalugina N.A. Degtyar S.E. Phase transitions in the coal - water - methane system //Condensed Matter Physics.- 2006.- Vol.9, № 1(45).-Р.1-6.

5. Фельдман Э.П., Василенко Т.А., Калугина Н.А. Истечение метана из угля в замкнутый резервуар: роль явлений диффузии и фильтрации// Физика и техника высоких давлений. - 2006.- т. 16, № 2.- С. 9 -114.

6. Алексеев А.Д., Васильковский В.А., Калугина Н.А. Фазовые состояния и кинетика десорбции метана из угля// Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць/ Ін-т Геотехнічної механіки ім.. М.С. Полякова НАН України.- Дніпропетровськ, 2006. - Вип. 67.- С. 32- 37.

7. Алексеев А.Д., Фельдман Э.П., Василенко Т.А., Калугина Н.А. Кинетика газовыделения метана из угля//Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления: Материалы XIV Международной научной школы им. академика С. А. Христиановича (20-26 сентября 2004 г.). - Алушта, 2004.- С. 5-6.

8. Алексеев А.Д., Василенко Т.А., Калугина Н.А., Молчанов А.Н., Троицкий Г.А. Сравнительный анализ параметров десорбции метана из ископаемых углей// Пути повышения безопасности горных работ в угольной отрасли: Научно - практическая конференция. Тезисы докладов (8-9 декабря 2004 г.).- Макеевка: Государственный Макеевский научно - исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности, 2004.- С. 149-152.

9. Алексеев А.Д., Фельдман Э.П., Василенко Т.А., Калугина Н.А., Стариков Г.П. Оценка времени образования опасных концентраций метана в замкнутых объемах//Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления: Материалы XVI Международной научной школы им. академика С. А. Христиановича (18-24 сентября 2006г.). - Алушта, 2006.- С. 7-9.

10. Особистий внесок автора в роботи, опубліковані у співавторстві: [1,5,7,9] - теоретичні розрахунки, розробка і використання алгоритму і програми чисельного інтегрування диференціальних рівнянь параболічного типу, що описують процес витікання метану з вугілля, аналіз досліджень, висновки; [3,4,6,8] - проведення і аналіз експериментів по вивченню кінетики виходу метану з вугілля і фазового стану метану у вугіллі.

Размещено на Allbest.ru