125203 (Обґрунтування параметрів вібродії на мікросорбційний простір вугілля для ефективної десорбції газу), страница 3

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 0, – параметри, що характеризують зміну частоти впливу з глибиною.

Параметр є приблизно однаковим для вугілля усіх ступенів метаморфізму, і в середньому складає 0,0019 м-1. Значення параметра 0, що відповідають їм, значення логарифмічного декремента загасання на цій частоті і енергії активації конформаційних перебудов U приведені в табл.4.

Таблиця 4

Значення параметра 0 для ефективних частот вібродії, та значення логарифмічного декремента поглинання для вугілля досліджених ступенів метаморфізму, що їм відповідають

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

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.