125203 (Обґрунтування параметрів вібродії на мікросорбційний простір вугілля для ефективної десорбції газу)

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%.