Національна академія наук України
Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова
Корнілов Максим Генадійович
УДК [622.831.325: 534.1] (043.3)
Обґрунтування параметрів вібродії на мікросорбційний простір вугілля для ефективної десорбції газу
05.15.09 –“Геотехнічна і гірнича механіка””
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дніпропетровськ-2008
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України, м. Дніпропетровськ (ІГТМ НАН України).
Науковий керівник:
доктор технічних наук, професор Мінєєв Сергій Павлович, старший науковий співробітник відділу керування динамічними проявами гірничого тиску ІГТМ НАН України, м. Дніпропетровськ.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Софійський Костянтин Костянтинович, Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України, завідувач відділу проблем розробки технологій вугільних родовищ;
кандидат технічних наук, Маслєнніков Євген Володимирович, Національний гірничий університет Міністерства освіти та науки України, старший науковий співробітник кафедри будівельних геотехнологій та геомеханіки.
Захист дисертації відбудеться “11“ квітня 2008 року о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 при Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2-а, факс (0562) 46-24-26.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України за адресою: 49005, Україна, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2-а.
Автореферат розісланий “7“ березня 2008 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
кандидат технічних наук В.Г. Шевченко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. В даний час при веденні гірських робіт у складних гірничогеологічних умовах глибоких шахт проблема газодинамічної активності вугільних пластів одержала першорядне значення. Загальновідомо, що основними факторами, які визначають газодинамічну активність вугільного масиву є газ, гірський тиск, властивості вугілля та технологічний фактор. При цьому шахтний метан, з одного боку, являє собою джерело небезпеки для шахтарів при відпрацьовуванні вугільних пластів у виді реалізації газодинамічних явищ, з іншого боку – є перспективним джерелом енергії. В теперішній час розроблено цілий ряд способів зниження викидонебезпечності вугільного масиву, зокрема, одним із перспективних способів зниження газодинамічної активності та інтенсифікації газовіддачі вугільного масиву є багаточастотна вібраційна дія.
В ІГТМ НАН України розроблено нормативний вібраційний спосіб зниження газодинамічної активності вугільного пласта свердловинними віброджерелами, параметри якого були, в основному, спрямовані на тріщиноутворення та вивільнення сорбованого газу із привибійної зони виробки. При цьому установлено, що тільки близько 10 – 30% метану у вугіллі знаходиться у вільному стані в макропорах і тріщинах, а 70 –90% – в адсорбованому стані в мікро - і мезопорах, а також в абсорбованому стані, тобто, в рамках вібраційного способу необхідно здійснювати максимально можливий перехід сорбованого газу у вільний стан. Тому для вивільнення сорбованого газу з мікросорбційного простору вугільного масиву необхідно в діапазоні багаточастотної віброобробки установити додаткові параметри дії, що дозволяють здійснювати ефективну десорбцію газу.
У зв’язку з цим, обґрунтування параметрів вібраційної дії на мікросорбційний простір вугілля для ефективної десорбції газу під час ведення гірничих робіт на пластах, схильних до газодинамічної активності є актуальною науковою задачею, яка має важливе практичне значення для вуглевидобувної галузі.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Викладені в дисертації дослідження виконані відповідно до планів науково-дослідної роботи ІГТМ НАН України по темах 1.3.5 83 “Дослідити вплив вібродії на вуглепородний масив та розробити рекомендації для створення віброустановки, що інтенсифікує газовіддачу масиву” (№ державної реєстрації 0103U004310); ІІІ-13-05 “Дослідження нерезонансних та параметричних хвильових ефектів у газонасиченому вуглепородному масиві з метою використання їх для інтенсифікації десорбції газу” (№ державної реєстрації 0105U002298); „Розробити рекомендації щодо системи дистанційного керування безпечним видаленням для очисних машин і комплексів в умовах роботи на викидонебезпечних пластах” (г/д 0910202107-378), в яких здобувач прийняв участь в якості виконавця.
Мета роботи – обґрунтувати параметри вібраційного впливу для здійснення ефективної десорбції газу з мікросорбційного простору вугільного пласта.
Ідея роботи полягає у використанні особливостей конформаційного механізму деформування міжпорового простору вугільної речовини при вібродії на зміну енергетичних параметрів сорбційного зв'язку метану в мікросорбційному просторі вугілля.
Основні завдання досліджень:
1. Розробити методологію проведення досліджень впливу вібраційної дії на мікросорбційний простір вугільної речовини.
2. Розробити молекулярну модель структури мікросорбційного простору вугільної речовини.
3. Визначити енергетичні параметри і власні частоти коливань сорбованого метану в мікропорах газонасиченого вугілля.
4. Визначити параметри вібраційного впливу, що забезпечують ефективну десорбцію газу з мікросорбційного простору вугільного масиву.
Об'єкт дослідження – процеси мікроструктурної трансформації вугільної речовини та їх взаємозв’язок з параметрами ефективної десорбції метану з мікросорбційного простору вугільного пласта при вібродії.
Предмет дослідження – параметри вібродії на мікросорбційний простір газонасиченого вугільного пласта.
Методи дослідження, використані в даній роботі, містять у собі аналіз і узагальнення даних попередніх досліджень, які дозволяють розробити методологію проведення досліджень, чисельне моделювання із застосуванням методів молекулярної механіки і динаміки та методів оптимізації молекулярних структур, яке дозволило розробити молекулярну модель мікроструктури вугілля та визначити енергетичні параметри метану в мікропорах та енергії активації конформаційних переходів у міжпоровому просторі вугілля, а також методи механіки суцільного середовища, які дозволили визначити параметри вібраційної дії на мікросорбційний простір вугілля для ефективної десорбції газу.
Наукові положення, що захищаються в дисертації:
1. Сорбційний зв'язок молекул метану в мікропорі вугілля має коливальний характер, власні частоти яких визначаються, в основному, розміром мікропор, зі збільшенням діаметра яких від 12 до 22 Å, вони зменшуються з 45 до 15 ГГц згідно з експонентною залежністю.
2. Закономірності зміни мікроструктури вугілля при вібродії обумовлені конформаційними переходами в молекулярній структурі вугілля, що представляють собою перебудову вуглецевих ланцюгів аліфатичної бахроми в графітоподібних шарах вугільної речовини, які характеризуються енергією активації, яка складає 5 – 400 кДж/моль, і часом релаксації молекулярної структури вугілля, що знаходяться в показовій залежності від енергії активації.
3. Вібраційний вплив на вугільний пласт, за допомогою індуціювання релаксаційних процесів у молекулярній структурі вугільної речовини, дозволяє досягати енергетичних бар'єрів активації конформаційних переходів у структурі вугілля, за рахунок чого збільшується відстань між графітоподібними шарами, і, як наслідок, у 1,5 – 4 рази відбувається підвищення коефіцієнта твердотільної дифузії молекул метану в міжпоровому просторі вугільної речовини, що дозволяє здійснювати ефективну десорбцію газу.
Наукова новизна отриманих результатів:
Вперше встановлено властиві частоти коливань молекул метану в мікропорах вугілля різного діаметра, що дозволяють використовувати резонансні режими вібродії для ефективної десорбції молекул метану з мікропор вугілля.
Вперше виконаний розрахунок енергії активації конформаційних переходів у молекулярній структурі вугільної речовини і визначена залежність міжшарової відстані у вугіллі від цієї енергії.
Вперше встановлена залежність параметрів твердотільної дифузії молекул метану від енергії конформаційних переходів у молекулярній структурі вугільної речовини.
Вперше на основі встановлених кількісних закономірностей, що зв'язують параметри твердотільної дифузії з енергією активації конформаційних переходів, яка враховує релаксаційний процес у молекулярній структурі вугільної речовини, обґрунтовані ефективні частоти вібраційної дії, що дозволяють здійснювати ефективну десорбцію метану з мікросорбційного простору вугілля.
Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей поводження сорбованого метану в мікропорі та у твердому кістяку вугілля у взаємозв'язку з конформаційними перебудовами його молекулярної структури при вібраційній дії, що забезпечують інтенсифікацію десорбції метану з мікросорбційного простору вугільного пласта.
Практичне значення роботи полягає у наступному:
результати дисертаційної роботи використані при розробці методики гірничо-експериментальних робіт з газодинамічного розвантаження мікросорбційного вугільного пласта вібраційною дією при проведенні підготовчих виробок, яку було ухвалено Центральною комісією з питань вентиляції, дегазації та боротьби з газодинамічними явищами в шахтах вугільної промисловості України, та передано до МакНДІ;
запропоновані параметри вібродії включені як уточнення параметрів вібраційного способу в галузевий нормативний документ “Правила ведення гірничих робіт на пластах, схильних до газодинамічної активності”. -Київ. - Мінвуглепром України, 2005. -222 с.;
рекомендації з оцінки ефективності заходів щодо зниження газодинамічної активності вуглепородного масиву передані у ВАТ “Автоматгірмаш ім. В.А. Антипова” і включені в галузеву програму;
очікуваний річний економічний ефект від впровадження способу складає 788 тис. грн. на одну виробку.
Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні мети і задач досліджень, ідеї роботи, її наукових положень, обґрунтуванні вибору методів і розробці загальної методики дослідження, аналізі й узагальненні отриманих рішень. Автор брав безпосередню участь у розробці методики газодинамічного розвантаження мікросорбційного простору за допомогою вібраційного впливу.
Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи були повідомлені на 58-й Студентській науково-практичній конференції Національного гірничого університету (2003 г); Третій всеукраїнській науковій конференції “Математичні проблеми технічної механіки” (м. Дніпродзержинськ, 2003 р); V Міжнародній науковій школі-семінарі “Імпульсні процеси в механіці складних середовищ” (м. Миколаїв, 2003 р); Міжнародній науково-технічній конференції молодих учених, аспірантів і студентів “Удосконалювання технології будівництва шахт і підземних споруджень” (м. Донецьк, 2005); XIV XV і XVI Міжнародній науковій школі ім. академіка С.А. Христиановича “Деформування і руйнування матеріалів з дефектами і динамічні явища в гірських породах і виробленнях” (м. Алушта, 2004, 2005 і 2006 р); на Міжнародній конференції “Форум гірників” (м. Дніпропетровськ, 2005, 2006 р); на конференції молодих учених “Геотехнічні проблеми розробки родовищ” (м. Дніпропетровськ, 2004 і 2005 г), на III Міжнародній науково-практичній конференції “Метан вугільних родовищ” (2004 г).
Публікації. По темі дисертації опубліковано 13 наукових праць, з них 6 – у спеціалізованих виданнях та одна монографія у співавторстві.
Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів, висновків і 4 додатків. Вона викладена на 128 сторінках машинописного тексту, 43 рисунків, 27 таблиць, і списку використаних джерел з 115 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У першому розділі приведено аналіз основних теоретичних підходів до встановлення ефективних параметрів вібродії для інтенсифікації газовіддачі вуглепородного масиву. Серед них найбільш відомий розроблений у ІГТМ НАН України нормативний спосіб, при розробці якого було встановлено, що одним з основних принципів ефективної вібродії є багаточастотна обробка макро - і мікропористого простору. У цьому підході при визначенні вібраційних параметрів для інтенсифікації газовіддачі і зниження газодинамічної активності вуглепородного масиву методика розрахунку ґрунтувалася на моделюванні газонасиченого тріщинуватого вуглепородного масиву трифазним середовищем. Проведені в такий спосіб розрахунки дозволили встановити лише ефективні параметри вібраційного впливу для інтенсифікації процесу розвитку тріщин і видимих тріщин у вуглепородному масиві, створюючи тим самим розвиту систему фільтраційних каналів. Діапазон частот склав 100-1000 Гц.
Інший підхід до розрахунку параметрів вібродії, запропонований В.О. Бобіним (ІПКОН РАН), охоплює широкий діапазон розмірів структури вугілля, здатного накопичувати метан. При розрахунку частот впливу розгядалася модельна задача вільних коливань розвантаженої частки вугілля. Частоти дії в цій моделі 10-100 МГц для макропор, 1 ГГц для мезопор і 88 ГГц для мікропор (рис.1).
Розроблена у ВНДIГАЗ (В.Н. Белоненко) технологія дегазації вуглепородного масиву і збільшення дебіту нафтових свердловин полягає у дії низькочастотними пружними хвилями, які генеруються сейсмовібраторами з поверхні Землі.
У ІГС СВ РАН (М.В. Курленя) розробляється метод сейсмохвильової дії на систему “метан-вугілля” з поверхні землі чи в шахтних умовах сейсмовібраторами з частотою 10–22 Гц.
Таким чином, існуючі у даний час теоретичні підходи до розрахунку параметрів вібродії для інтенсифікації газовіддачі вуглепородного масиву доповнюють один одного при оцінці ефектів вібропіслядії в складній ієрархічній структурі багатофазного вугільного середовища і є однаково значимими. Підходи ІГТМ НАН України і М.В. Курлені ґрунтуються на феноменологічному моделюванні процесу вібродії на вуглепородний масив, два інших так чи інакше припускають урахування мікроскопічних ефектів.
У зв'язку з цим у даний час необхідна розрахункова модель, що дозволяє описати фізику порушення сорбційної рівноваги в мікропористій структурі вуглегазового середовища при вібраційному впливі на неї, причому частоти вібродії повинні бути технічно здійсненні. Рішення такої задачі неможливе без детального вивчення мікроструктури вугілля, а також сорбційних та дифузійних процесів у системі “метан-вугілля”, що протікають на мікрорівні.
Відомо, що в залежності від ступеня метаморфізму в кожній тонні вугілля міститься від 5 до 40 м3 метану. Метан міститься у вугільних пластах у тріщинах і порах, які складають фильтраційно-сорбційний простір вугільної речовини. В об’ємі фільтраційного простору, складеному з перехідних пор, макропор і тріщин, газ знаходиться переважно у вільному стані і підкоряється законам фільтрації, а в сорбційному, утвореному мікропорами – у сорбованому стані. Великий внесок у дослідження характеру зв'язку метану з вугіллям внесли О.О. Скочинський, І.Л. Еттінгер, А.Т. Айруні, А.Д. Алексєєв, В.О. Бобін, В.В. Соболєв, та інші.
Розглянуто основні гіпотези взаємодії метану з вугільною речовиною. Відповідно до найбільш ранньої, створеної і розробленої А.Т. Айруні, О.О. Скочинським, В.О. Бобіним, метан на 70-90% знаходиться у вугіллі в адсорбованому виді в мікропорах і мезопорах, і на 10–30% – в макропорах і тріщинах, а взаємодія визначається силами Ван-дер-Ваальса. Альтернативними цій гіпотезі стали гіпотези про те, що метан частково розчиняється в міжмолекулярному просторі вугілля, утворюючи твердий розчин, яку розвивали А.Д. Алексєєв, А.Т. Айруні та ін., а також про те, що метан у вугіллі знаходиться в хімічно зв'язаному стані, а саме, являє собою елементи бахроми кристалітів, та десорбується за допомогою механохімічної деструкції вугільної речовини під час проходження виробки або розвитку викиду, прихильниками якого є В.В. Соболєв, М.М. Андрєєв, та ін. У даній роботі прийнятий розподіл метану по формах існування, згідно якому у макропорах та тріщинах у вільному стані утримується від 5 до 12% метану, у сорбованому 8–12%, у міжмолекулярному просторі (у тому числі в мікропорах) –75 –80%.
Відповідно до домінуючої концепції побудови молекулярної структури вугілля встановлено, що найбільш вірогідно моделювати її як систему взаємозалежних ароматичних і аліфатичних ділянок, тобто таких, що складаються з кристалітів і бахроми. Хімічна структура вугілля представлена у виді досить великих блоків, що включають 3 – 10 найбільш типових первинних кластерів – елементарних структурних одиниць, що містять у собі кристалiт і аліфатичну бахрому, що свідчить про її високомолекулярний характер.
Таким чином, сорбованого в мікропорах газу міститься до 80% від загальної кількості, крім того, його десорбція відбувається надзвичайно повільно, тому при розробці технологій підвищення газовіддачі для забезпечення найбільш ефективної десорбції газу з мікросорбційного простору вугілля необхідно здійснювати інтенсифікацію його газовіддачі.
В другому розділі розроблено загальну методологію проведення досліджень, зокрема, обґрунтовано вибір методу молекулярного моделювання. Таким був прийнятий метод молекулярної механіки, заснований на рівняннях класичної механіки. Взаємодія між атомами в рамках методу описується потенціалом, що представляє собою суму потенціалів валентної і деформаційної взаємодії; потенціали торсійної взаємодії, потенціалу електростатичної взаємодії; потенціалу ван-дер-ваальсової взаємодії.
Існують також додаткові потенціали, що описують, наприклад, водневі зв'язки, чи зв'язані валентні – деформаційні взаємодії.
Сутність торсійної взаємодії полягає в наступному. Для утвореного атомами С1-С2-С3-С4 торсійного кута, потенційна енергія за повний оберт навколо зв'язку С2-С3 буде мати вид кривої, подібної до зображеної на рис.3 б. Бар'єри і западини на цьому рисунку називають конформаціями – відповідно цис-, гош-, транс - і частково закритими.
Вид функцій потенціалу молекулярної механіки і вхідні в них параметри, що представляють собою набір констант та характеризують взаємодію між атомами, називаються силовими полями. У роботі приведений короткий опис силових полів AMBER, OPLS, BIO+ і ММ+.
Як метод розрахунку часових параметрів молекулярних структур обраний метод молекулярної динаміки. Метод заснований на розрахунку сил, що діють на кожен атом системи як похідних від потенціалу взаємодії між атомами по відстані між ними, і наступному рішенні рівнянь Ньютона, що вийшли, чисельним алгоритмом інтегрування. Для оптимізації молекулярних структур був прийнятий метод сполучених градієнтів.
Також розроблено методологію проведення досліджень, яка включає в себе побудову моделі мікроструктури вугілля, визначення параметрів та характеристик руху молекул метану в мікропорах вугілля, визначення характеристик трансформації молекулярної структури вугілля на основі конформаційного механізму деформування, а також ступеня їх впливу на змінювання дифузійних характеристик метану у міжпоровому просторі вугілля та визначення параметрів вібраційної дії на вугільний пласт згідно з характеристиками конформаційних переходів.
Третій розділ присвячено розробці моделі мікросорбційного простору вугільної речовини.
Відповідно до результатів досліджень методом малокутової рентгеноскопії форма мікропор вугільної речовини на різній стадії метаморфізму може бути ототожнена з циліндром, диском, чи сферою. При цьому сферична форма пор характерна в основному для вугілля середньої стадії метаморфізму і визначає закриту мікропористість. У роботі досліджувалися сферичні мікропори, а в якості моделі поверхні мікропори була прийнята молекула фулерена, поверхня якої являє собою сферу, що складається з кілець ароматичного вуглецю.
З урахуванням прийнятої концепції побудови вугілля, за встановленим раніше експериментальними методами інфрачервоної спектроскопії, ядерного магнітного резонансу та ін. хімічним складом вугільної речовини та шляхом використання методу молекулярної механіки побудовані моделі міжпорового простору вугільної речовини трьох ступенів метаморфізму – Ж, К і Т, відповідно зі змістом вуглецю 87,70, 89,10 і 91,26%. Моделі містять 4 – 5 графітоподібних шарів, по 5 – 7 кластерів в одному шарі.
За результатами побудови моделі мікроструктури вугільної речовини було проведено вибір силового поля потенціалу взаємодії, який проводився шляхом розрахунку частот коливань хімічних груп молекулярної структури вугілля, і зіставлення їх з експериментальними даними інфрачервоного поглинання. Моделювання проводилося методом молекулярної динаміки для трьох силових полів, в результаті якого було встановлено залежність валентних кутів та довжин зв’язку, після чого перетворенням Фур'є виконувався перехід до частот коливань цих параметрів. Результати моделювання та обробки показали, що найбільш достовірно поводження вугільної речовини описує силове поле ММ+, для якого максимальне відхилення отриманих даних від експериментальних склало 4,6%, а в середньому – 1,8%.
У четвертому розділі вирішена задача про рух молекул газу, зв'язаного зі стінкою пори ван-дер-ваальсовими взаємодіями. В рамках цієї задачі визначено характер міжмолекулярної взаємодії у системі сорбат-сорбент. Встановлено основні вихідні дані для подальшого моделювання руху молекул метану у мікропорах вугільної речовини, за які були прийняті побудовані у розділі 3 молекули фулеренів.
В результаті моделювання поводження молекул метану в мікропорах методом молекулярної динаміки були визначені траєкторії їхнього руху в ній. На основі цього шляхом перетворення Фур'є були побудовані амплітудно-частотні залежності, за мінімальним значенням яких були визначені властиві частоти коливань молекул метану (табл.1), що дозволило встановити резонансні параметри вібродії на сорбований у мікропорах вугільної речовини метан.
Таблиця 1
Власні частоти коливань молекули метану в мікропорах різного діаметра
| Діаметр модельної пори вугілля, Å |
12 |
14 |
22 |
| Резонансна частота, ГГц |
45 |
38 |
15 |
Збільшення кількості молекул у модельній мікропорі вугілля не призводить до істотної зміни значень властивих частот коливань. Однак у цьому випадку спостерігається наявність сорбційних шарів, перший з яких знаходиться на відстані 3,4 Å âід стінки мікропори. При цьому переходи між цими сорбційними шарами супроводжуються сплесками кінетичної енергії молекули, що здійснює перехід, яка експоненційно збільшується зі збільшенням кількості молекул метану у мікропорі.
Вплив на вугільну речовину з частотами, зазначеними в табл.1, приведе до резонансного збільшення рухливості молекул метану і до активації процесу десорбції молекул метану з мікропор. Проте ці частоти лежать у області, яку в даний час надзвичайно важко досягнути.
П'ятий розділ присвячений визначенню параметрів вібраційної дії, що дозволяють забезпечити ефективну десорбцію газу з мікросорбційного простору вугільної речовини.
Унаслідок подібності молекулярної структури вугільної речовини до структури високомолекулярних речовин як модель поводження вугільної речовини був прийнятий конформаційний механізм деформування, заснований на локальних перебудовах ланцюгів аліфатичної бахроми вугільної речовини, які називаються конформаційними переходами.
Конформаційні переходи визначають релаксаційні властивості вугільної речовини, причому в умовах вібродії при напрузі , логарифмічний декремент поглинання можна представити у виді:
; ; ,(1)
де Е – модуль пружності речовини; Е1 – модуль накопичення, що характеризує пружність речовини, Е2 – модуль втрат, що характеризує в’язкі втрати, w – циклічна частота дії; t– час релаксації, зв'язаний з енергією активації конформаційних переходів DU співвідношенням tр=tр0exp(DU/RT), tр0=10-12 – 10-13 с-1.
На частотній залежності логарифмічного декремента поглинання мають місце піки, обумовлені здійсненням конформаційних переході
Для цього було розроблено програму розрахунків енергій активації конформаційних переходів, що дозволяє розраховувати зміну міжшарової відстані при наявності конформаційних переходів, за допомогою якої були досліджені побудовані моделі міжпорового простору вугілля ступенів метаморфізму Ж, К і Т і отримані залежності значення міжшарової відстані від енергії активації конформаційних переходів (табл.2).
Таблиця 2
Усереднені по діапазонах значення зміни міжшарової відстані для трьох ступенів метаморфізму вугілля, Å
| Діапазон енергій активації, кДж/моль |
Вміст вуглецю,% |
||
| 87,70 |
89,10 |
91,26 |
|
| 0-25 |
0.225 |
0.173 |
0.145 |
| 25-50 |
0.334 |
0.278 |
0. 199 |
| 50-75 |
0.352 |
0.344 |
0.2 |
| 75-100 |
0.349 |
0.376 |
0.345 |
| 100-125 |
0.369 |
0.423 |
0.3 |
| 125-150 |
0.471 |
0.375 |
0.313 |
Підстановкою отриманих енергій активації конформационных переходів у рівняння (1), були визначені частоти впливу, на яких мають місце максимуми в’язкопружного поглинання.
Для визначення ступеня впливу конформаційних переходів на інтенсивність десорбції за допомогою моделі дифузії Пейса-Дейтинера, заснованої на урахуванні локальних взаємодій молекул метану із сегментами макромолекул, з урахуванням енергетичних характеристик метану в мікропорах, були визначені енергії активації і коефіцієнти твердотільної дифузії молекул метану через міжпоровий простір вугільної речовини. За допомогою цього було розраховано зміну коефіцієнта дифузії метану у вугільній речовині при вібродії та без неї (табл.3)
Таблиця 3
Зміна коефіцієнта дифузії молекули метану при наявності конформаційних переходів
| Вміст вуглецю,% |
Діапазон енергій конформаційних перебудов, кДж/моль |
Коефіцієнт дифузії, см2/с |
|
| без вібродії |
при наявності вібродії |
||
| 87,70 |
0 –50 |
8,9 10-11 |
1,9 10-10 |
| 50 – 100 |
3,03 10-10 |
||
| 100– 150 |
4,34 10-10 |
||
| 89,10 |
0 –50 |
4,7 10-10 |
6,24 10-10 |
| 50 – 100 |
6,24 10-10 |
||
| 100– 150 |
6,7 10-10 |
||
| 91,26 |
0 –50 |
2,0 10-11 |
2,41 10-11 |
| 50 – 100 |
2,79 10-11 |
||
| 100– 150 |
3,4 10-11 |
||
Необхідна тривалість вібродії визначалася за часом дифузії метану з непорушених фрагментів вугільної речовини, який визначався згідно з вирішеним рівнянням Фіка:
. (2)
де с0 – початкова концентрація метану у вугільному фрагменті;
с– концентрація метану на границі фрагмента радіусом R0;
r– відстань від центра фрагмента;
D – коефіцієнт дифузії.
Визначено залежність частот вібродії від глибини, що враховувалася через величину температурного градієнта, і описується експонентною функцією виду:
(3)
де w0, e – параметри, що характеризують зміну частоти впливу з глибиною.
Параметр e є приблизно однаковим для вугілля усіх ступенів метаморфізму, і в середньому складає 0,0019 м-1. Значення параметра w0, що відповідають їм, значення логарифмічного декремента загасання d на цій частоті і енергії активації конформаційних перебудов DU приведені в табл.4.
Таблиця 4
Значення параметра w0 для ефективних частот вібродії, та значення логарифмічного декремента поглинання для вугілля досліджених ступенів метаморфізму, що їм відповідають
| Ступінь метаморфізму вугілля |
|||||
| 87,70% |
89,10% |
91,26% |
|||
| w0, з-1 |
d |
w0, з-1 |
d, |
w0, з-1 |
d |
| 4,45 |
0,935 |
2, 19 |
1,04 |
4,63 |
0,57 |
| 21707 |
0,18 |
290 |
0,44 |
1632 |
0,38 |
| – |
– |
36933 |
0,53 |
– |
– |
Приведені в табл.4 параметри дозволяють визначити ефективні частоти вібродії по формулі (3).
Отримані в даній роботі параметри вібродії дозволили встановити параметри вібраційної дії для газодинамічного розвантаження та інтенсифікації десорбції мікросорбційного простору вугільного пласта для зниження викидонебезпечності у вибої підготовчих виробок, які приведено в табл.5.
Таблиця 5
Параметри вібраційного способу зниження викидонебезпечності при проведенні виробок
| Параметр вібраційного способу |
Для зниження викидонебезпечності |
Для беззалишкової дегазації привибійної зони масиву |
| Діаметр вібросвердловини, мм |
40–80 |
40–80 |
| Частота дії, Гц |
3–33000 |
3–33000 |
| Радіус ефективної дії, м |
2–5 |
2–5 |
| Амплітуда дії, кПа |
5–10 |
5–10 |
| Тривалiсть дії, год. |
0,5–1,5 |
6–57 |
| Кількість вібросвердловин у забої виробки, шт |
3 та більше |
3 та більше |
Методику виконання гірничо-експериментальних робіт з газодинамічного розвантаження мікросорбційного простору вугільного пласта за допомогою вібраційної дії при проведенні підготовчих виробок було ухвалено МакНДІ і секцією Центральної комісії з викидів.
Дані розробки з уточнення параметрів вібраційного способу зниження викидонебезпечності включені у виді уточнень у нормативний документ “Правила ведення гірських робіт на шарах, схильних до газодинамічних явищ”.
Розроблені рекомендації з оцінки параметрів ефективності заходів щодо зниження викидонебезпечності і поліпшенню умов дегазації вуглепородного масиву, включені в ТЕО ВАТ “Автоматгірмаш ім.В.А. Антипова” та увійшли в рамках елементів модуля в галузеву програму “Модульно-адаптивна прогностична система керування вугільною шахтою”, затвердженої міністром вугільної промисловості і Донецькою обласною державною адміністрацією.
Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій, отриманих у дисертації, підтверджується коректністю постановки задач, використанням класичних апробованих методів молекулярної механіки і динаміки, рішенням тестових задач, задовільної (до 95%) збіжністю результатів рішення тестових задач з даними експериментальних досліджень методами інфрачервоної спектроскопії, ядерного магнітного резонансу а також сейсморозвідки.
ВИСНОВКИ
Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій шляхом встановлення закономірностей сорбційної взаємодії молекул метану з мікроструктурою вугілля та взаємозв’язку конформаційних перебудов у вугільній речовині з параметрами дифузії метану отримано нові наукові результати в галузі геомеханіки, які полягають в обґрунтуванні параметрів багаточастотної вібраційної дії для підвищення ефективності та безпеки ведення підготовчих виробок на пластах, схильних до раптових викидів вугілля та газу.
Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному.
1. На основі аналізу та узагальнення експериментальних досліджень про молекулярну і мікропористу структуру вугілля побудовано модель мікросорбційного простору вугілля з його візуалізацією, що дозволяє розраховувати енергетичні і геометричні характеристики міжатомної взаємодії для різних ступенів метаморфізму вугілля.
2. Побудовано модель мікропори вугільної речовини, в якості якої було прийнято молекули фулеренів, які являють собою сфери діаметром від 7 до 22 Å, та складаються з атомів конденсованого ароматичного вуглецю. Також побудовано моделі міжпорового простору вугілля різного ступеню метаморфізму, які складаються з 4-5 графітоподібних шарів по 5-7 кластерів у кожному шарі. На основі моделювання методом молекулярної механіки і динаміки та подальшого порівняння з експериментальними спектрами інфрачервоної спектроскопії показано, молекулярна механіка з використанням силового поля ММ+ адекватно описує взаємодію у вугільній речовині: відхилення отриманих значень від експериментальних даних не перевищує 7%.
3. Уперше встановлено, що рух молекул метану в мікропорах вугілля має характер коливань, властиві частоти яких експоненціально зменшуються з 45 до 15 ГГц при збільшенні діаметра мікропори з 12 до 22 Å, та не залежать від кількості метану в мікропорах вугілля.
4. Розроблено фізичну модель, математичний алгоритм і програму чисельного розрахунку оцінки вібраційної післядії на мікросорбційний простір вугілля, що базується на конформаційному механізмі деформування структури вугілля і дозволяє розраховувати енергії конформаційних переходів у вугільній речовині при різних параметрах вібраційної дії.
5. Встановлено, що закономірності зміни мікроструктури вугілля при вібродії обумовлені конформаційними переходами в молекулярній структурі вугілля, які представляють собою перебудову вуглецевих ланцюгів аліфатичної бахроми в графітоподібних шарах вугільної речовини, які характеризуються енергією активації, яка складає 5 – 400 кДж/моль, і часом релаксації молекулярної структури вугілля, що знаходяться в показовій залежності від енергії активації, що дозволило встановити зв'язок між енергією активації конформаційних переходів і зміною міжшарової відстані у вугіллі, яка має характер лінійної залежності.
6. Встановлено, що вібраційний вплив на вугільний пласт за допомогою індуціювання релаксаційних процесів у молекулярній структурі вугільної речовини, дозволяє досягати енергетичних бар'єрів активації конформаційних переходів у структурі вугілля, за рахунок чого збільшується відстань між графітоподібними шарами, і, як наслідок, у 1,5 – 4 рази відбувається підвищення коефіцієнта твердотільної дифузії молекул метану в міжпоровому просторі вугільної речовини, що дозволяє здійснювати ефективну десорбцію газу.
7. Визначено ефективні частоти вібродії на мікросорбційний простір вугільного масиву, які для моделі вугільної речовини із вмістом вуглецю 89,10% складають значення порядку 3, 370 та 3,3*104 Гц для глибини залягання пласта 1000 м, тривалість дії на частоті 3 Гц при амплітуді дії 7 кПа з радіусом віброобробки 5 м склала порядку 5 год.
8. Залежність ефективної частоти віброобробки на мікросорбційний простір вугільного масиву від глибини залягання вугільного шару носить характер зростаючої експонентної функції, і в інтервалі глибин 400 – 1400 м зростає для вугілля зі змістом вуглецю 89,1% з 1,5 до 13 Гц.
9. Результати, отримані в дисертаційній роботі, були використані при розробці методики виконання гірничо-експериментальних робіт з газодинамічного розвантаження мікросорбційного простору вугілля за допомогою вібраційної дії при проведенні підготовчих виробок, переданої в МакНДІ. Параметри вібродії для зниження викидонебезпечності при проходженні виробок включені у виді уточнень у “Правила безпеки ведення гірських робіт на шарах, схильних до газодинамічних явищ”. Розроблені рекомендації з оцінки ефективності заходів щодо зниження викидонебезпечності і дегазації вуглепородного масиву ввійшли в: ТЕО ВАТ “Автоматгірмаш” ім.В.А. Антипова “Модульно-адаптивна прогностична система керування вугільною шахтою” та у галузеву програму “Модульно-адаптивна прогностична система керування вугільною шахтою”, затверджену Міністерством вугільної промисловості і Донецькою облдержадміністрацією в 2006 р.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗДОБУВАЧА ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Минеев, С.П. Активация десорбции метана в угольных пластах [Текст] /С.П. Минеев, А.А. Прусова, М.Г. Корнилов. – Днепропетровск: Вебер (Днепропетровское отделение), 2007. – 252 с.
2. Минеев, С.П. О моделировании сорбционных процессов в газонасыщенном углепородном мас сиве при нестационарном технологическом воздействии [Текст] / С.П. Минеев, А.А. Прусова, М.Г. Корнилов // Науковий вісник НГАУ. – 2002. – №3. – С.30 – 32.
3. Минеев, С.П. Энергия дисперсионной адсорбции в системе метан-уголь [Текст] /С.П. Минеев, А.А. Прусова, М.Г. Корнилов // Науковий вісник НГАУ. – 2002. – №6. – С.54 – 56.
4. Минеев, С.П. О энергии дисперсионной адсорбции в системе “метан-уголь” [Текст] /С.П. Минеев, А.А. Прусова, М.Г. Корнилов // Материалы Третьей всеукраинской научной конференции “Математические проблемы технической механики”. – Днепродзержинск: ДДТУ, 2003. – С.153.
5. Корнилов, М.Г. К уравнению состояния адсорбированного метана в угольном массиве [Текст] / М.Г. Корнилов // Геотехническая механика межвед. сб. научных трудов. –Днепропетровск. – 2005. – Вып.55. – С.151 – 157.
6. Минеев, С.П. Энергетические барьеры активации структурных изменений в угольном мас сиве [Текст] /С.П. Минеев, А.А. Прусова, М.Г. Корнилов // Матеріали міжнародної конференції “Форум гірників – 2005”, Т.3. – Д.: НГУ, 2005. – С.151–156.
7. Корнилов М.Г. Молекулярно-механическая модель структуры угольного вещества [Текст] / М.Г. Корнилов // Геотехническая механика: межвед. сб. научных трудов. –Днепропетровск. – 2006. – Вып.62. – С.42–49.
8. Минеев, С.П. Вопросы отработки газоносных пластов в сложных условиях [Текст] /С.П. Минеев, А.А. Прусова, М.Г. Корнилов, А.Г. Исютин // Материалы V Международной научной школы-семинара “Импульсные процессы в механике сложных сред”. – Николаев: Атолл, 2003. – С.121 – 123.
9. Минеев, С.П. Динамика адсорбции метана в микропористом пространстве угля [Текст] /С.П. Минеев, А.А. Прусова, М.Г. Корнилов // Матеріали міжнародної конференції “Форум гірників - 2006”. – Д.: НГУ, 2006. – С.154-158.
10. Минеев, С.П. Динамика сорбционной связи в микропоре газонасыщенного угля [Текст] /С.П. Минеев, А.А. Прусова, М.Г. Корнилов // Материалы XIV Международной научной школы им. академика С.А. Христиановича – Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2004. – С.89-93.
11. Корнилов, М.Г. О состоянии адсорбированного метана в угольном массиве [Текст] / М.Г. Корнилов, А.С. Петленко // Материалы международной научно-технической конференции молодых учених, аспирантов и студентов “Совершенствование технологи строительства шахт и подземных сооружений”. –Донецк: ДонГТУ, 2005. – С.54–55.
12. Минеев, С.П. Оценка волновой энергии для активации молекул метана в микропористом пространстве угля [Текст] /С.П. Минеев, А.А. Прусова, М.Г. Корнилов // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: Материалы XV Международной научной школы им. академика С.А. Христиановича – Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2005. – С.170–172.
13. Минеев, С.П. Частоты вибрационного воздействия для интенсификации диффузионных процессов в микросорбционном пространстве угля [Текст] /С.П. Минеев, А.А. Прусова, М.Г. Корнилов, А.А. Рубинский // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: Материалы XVI Международной научной школы им. академика С.А. Христиановича – Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2006. – С.188 – 194.
АНОТАЦІЯ
Корнілов М.Г. Обґрунтування параметрів вібраційної дії на мікросорбційний простір вугілля для ефективної десорбції газу. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність 05.15.09 – “Геотехнічна та гірнича механіка”. Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, Дніпропетровськ, 2008.
Дисертація присвячена вирішенню актуальної наукової задачі обґрунтування параметрів вібраційної дії на мікросорбційний простір вугілля для ефективної десорбції газу.
На основі аналізу експериментальних даних попередніх досліджень щодо взаємозв’язку метану та вугілля, молекулярної структури вугілля побудовано модель мікроструктури вугільної речовини, визначено кінематичні та енергетичні параметри метану в мікропорах вугілля, обґрунтовано конформаційний механізм деформування вугільної речовини, встановлено вплив конформаційних переходів на параметри дифузії метану у міжпоровому просторі. Встановлено параметри вібродії на мікросорбційний простір вугілля для ефективної десорбції газу. Розроблену методику виконання гірничо-експериментальних робіт з газодинамічного розвантаження мікросорбційного простору вугільного пласта вібраційною дією при проведенні підготовчих виробок було ухвалено Центральною комісією з питань вентиляції, дегазації та боротьби з газодинамічними явищами в шахтах вугільної промисловості України та передано до МакНДІ. Запропоновані параметри вібродії включені як уточнення параметрів вібраційного способу в галузевий нормативний документ “Правила ведення гірничих робіт на пластах, схильних до газодинамічної активності”.
Ключові слова: мікросорбційний простір, газонасичений вугільний пласт, вібродія, молекулярна структура вугілля, молекулярне моделювання, конформаційні переходи.
АННОТАЦИЯ
Корнилов М.Г. Обоснование параметров вибрационного воздействия на микросорбционное пространство угля для эффективной десорбции газа. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.09 – “Геотехническая и горная механика”. Институт геотехнической механики им.Н.С. Полякова НАН Украины, Днепропетровск, 2006.
В диссертации на основе установления закономерностей нарушения сорбционного равновесия в микросорбционном пространстве угольного вещества при вибрационном воздействии решена актуальная научно-техническая задача интенсификации десорбции микросорбционного пространства угля посредством вибровоздействия.
На основе анализа экспериментальных данных предыдущих исследований и применении методов молекулярного моделирования построены модели микропоры и межпорового пространства угольного вещества. Проведена проверка адекватности описания поведения построенных моделей, показавшая, что отклонение полученных результатов от экспериментальных не превышает 4,6%.
Методами молекулярного моделирования установлены основные закономерности поведения молекул метана в микропорах угольного вещества, в частности установлены собственные частоты колебаний молекул метана в микропоре.
Установлен механизм деформирования молекулярной структуры угля, состоящий в конформационных перестройках молекулярной структуры угольного вещества, и при помощи метода молекулярной механики определен диапазон энергий активации конформационных перестроек в угольном веществе, а также сопровождающее эти переходы изменение межслоевого расстояния.
Применением модели Пейса-Дейтинера определены параметры твердотельной диффузии молекул метана через межпоровое пространство угольного вещества, а также их зависимость от межслоевого расстояния.
На основе расчета времен релаксации молекулярной структуры, экспоненциально связанных с энергиями активации конформационных переходов, рассчитаны зависимости логарифмического декремента поглощения волны вибровоздействия от ее частоты, что по пикам поглощения позволило определить эффективные частоты вибровоздействия. Необходимая продолжительность вибровоздействия определялась по решенному уравнению диффузии.
По результатам, полученным в диссертационной работе, была разработана методика газодинамической разгрузки микросорбционного пространства угля посредством вибрационного воздействия, переданная в МакНИИ, а также рекомендации по оценке эффективности мероприятий по снижению выбросоопасности и улучшению условий дегазации, переданных в ОАО “Автоматгормаш им. В.А. Антипова”.
Ключевые слова: микросорбционное пространство, газонасыщенный угольный пласт, вибровоздействие, молекулярная структура угля, молекулярное моделирование, конформационные переходы.
SUMMARY
Kornilov M. G. Substantiation of parameters of vibroinfluence on microsorption space of coal for effective gas desorption. – Manuscript.
Dissertation for seeking degree candidate of engineering science on specialty 05.15.09 – “Geotechnical and rock mechanics”. Institute of geotechnical mechanics of name N. A. Polyakova of NAS of Ukraine. Dniepropetrovsk, 2007.
The dissertation is dedicated to the solution of an actual scientific problem of substantiation of parameters of vibroinfluence on microsorption space of coal for effective gas desorption.
On the basis of analysis of experimental data of previous investigation of intercommunication of methane and coal, molecular structure of coal the model of microstructure of coal matter is built, kinematics and energetic parameters of methane in coal micropores are determined, the conformational mechanism of coal matter is substantiated, the effect of conformational transitions on the diffusion parameters of methane in interporous space is established. The parameters of vibroinfluence on a microporous space of coal for effective gas desorption are established. The developed methodic of mining-experimental job for gas dynamics unloading of microsorption space of coal seam by vibroinfluence during the driving of preparation working was approved by the Central commission by questions of ventilation, degasation and fight with gas dynamics phenomenon in mines of coal industry of Ukraine and was passed into MakSII. The offered parameters of vibroinfluence was included as a clarification of parameters of vibrational method into an of particular a branch normative document “The rules of driving of mining works on seams, witch are inclined to gas dynamic activity”.
Keywords: microsorptional space, gas-saturated coal seam, vibroinfluence, molecular structure of coal, molecular modeling, conformational transitions.