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 мікросорбційнийпростір 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 вІнституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наукУкраїни, м. Дніпропетровськ (ІГТМ НАН України).
Науковий керівник:
доктор технічнихнаук, професор Мінєєв Сергій Павлович, старший науковий співробітник відділукерування динамічними проявами гірничого тиску ІГТМ НАН України, м.Дніпропетровськ.
Офіційні опоненти:
доктор технічнихнаук, професор Софійський Костянтин Костянтинович, Інститут геотехнічноїмеханіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України, завідувачвідділу проблем розробки технологій вугільних родовищ;
кандидат технічнихнаук, Маслєнніков Євген Володимирович, Національний гірничий університет Міністерстваосвіти та науки України, старший науковий співробітник кафедри будівельнихгеотехнологій та геомеханіки.
Захист дисертаціївідбудеться “11“ квітня 2008 року о 1500 годині на засіданні спеціалізованоївченої ради Д 08.188.01 при Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. ПоляковаНаціональної академії наук України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул.Сімферопольська, 2-а, факс (0562) 46-24-26.
З дисертацієюможна ознайомитися у бібліотеці Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. ПоляковаНАН України за адресою: 49005, Україна, м. Дніпропетровськ,вул. Сімферопольська, 2-а.
Авторефератрозісланий “7“ березня 2008 р.
Вчений секретар
спеціалізованоївченої ради
кандидат технічнихнаук В.Г. Шевченко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми.В даний час при веденні гірських робіт у складних гірничогеологічних умовахглибоких шахт проблема газодинамічної активності вугільних пластів одержалапершорядне значення. Загальновідомо, що основними факторами, які визначаютьгазодинамічну активність вугільного масиву є газ, гірський тиск, властивостівугілля та технологічний фактор. При цьому шахтний метан, з одного боку, являєсобою джерело небезпеки для шахтарів при відпрацьовуванні вугільних пластів увиді реалізації газодинамічних явищ, з іншого боку – є перспективним джереломенергії. В теперішній час розроблено цілий ряд способів зниженнявикидонебезпечності вугільного масиву, зокрема, одним із перспективних способівзниження газодинамічної активності та інтенсифікації газовіддачі вугільногомасиву є багаточастотна вібраційна дія.
В ІГТМ НАН Українирозроблено нормативний вібраційний спосіб зниження газодинамічної активностівугільного пласта свердловинними віброджерелами, параметри якого були, восновному, спрямовані на тріщиноутворення та вивільнення сорбованого газу ізпривибійної 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 абсорбованомустані, тобто, в рамках вібраційного способу необхідно здійснювати максимальноможливий перехід сорбованого газу у вільний стан. Тому для вивільненнясорбованого газу з мікросорбційного простору вугільного масиву необхідно вдіапазоні багаточастотної віброобробки установити додаткові параметри дії, щодозволяють здійснювати ефективну десорбцію газу.
У зв’язку з цим,обґрунтування параметрів вібраційної дії на мікросорбційний простір вугілля дляефективної десорбції газу під час ведення гірничих робіт на пластах, схильнихдо газодинамічної активності є актуальною науковою задачею, яка має важливепрактичне значення для вуглевидобувної галузі.
Зв'язок роботи знауковими програмами, планами, темами. Викладені в дисертації дослідженнявиконані відповідно до планів науково-дослідної роботи ІГТМ НАН України потемах 1.3.5 83 “Дослідити вплив вібродії на вуглепородний масив та розробитирекомендації для створення віброустановки, що інтенсифікує газовіддачу масиву”(№ державної реєстрації 0103U004310); ІІІ-13-05 “Дослідження нерезонансних тапараметричних хвильових ефектів у газонасиченому вуглепородному масиві з метоювикористання їх для інтенсифікації десорбції газу” (№ державної реєстрації0105U002298); „Розробити рекомендації щодо системи дистанційного керуваннябезпечним видаленням для очисних машин і комплексів в умовах роботи навикидонебезпечних пластах” (г/д 0910202107-378), в яких здобувач прийняв участьв якості виконавця.
Мета роботи –обґрунтувати параметри вібраційного впливу для здійснення ефективної десорбціїгазу з мікросорбційного простору вугільного пласта.
Ідея роботиполягає у використанні особливостей конформаційного механізму деформуванняміжпорового простору вугільної речовини при вібродії на зміну енергетичнихпараметрів сорбційного зв'язку метану в мікросорбційному просторі вугілля.
Основні завданнядосліджень:
1. Розробитиметодологію проведення досліджень впливу вібраційної дії на мікросорбційнийпростір вугільної речовини.
2. Розробитимолекулярну модель структури мікросорбційного простору вугільної речовини.
3. Визначитиенергетичні параметри і власні частоти коливань сорбованого метану в мікропорахгазонасиченого вугілля.
4. Визначитипараметри вібраційного впливу, що забезпечують ефективну десорбцію газу змікросорбційного простору вугільного масиву.
Об'єкт дослідження– процеси мікроструктурної трансформації вугільної речовини та їх взаємозв’язокз параметрами ефективної десорбції метану з мікросорбційного просторувугільного пласта при вібродії.
Предметдослідження – параметри вібродії на мікросорбційний простір газонасиченоговугільного пласта.
Методидослідження, використані в даній роботі, містять у собі аналіз і узагальненняданих попередніх досліджень, які дозволяють розробити методологію проведеннядосліджень, чисельне моделювання із застосуванням методів молекулярної механікиі динаміки та методів оптимізації молекулярних структур, яке дозволилорозробити молекулярну модель мікроструктури вугілля та визначити енергетичніпараметри метану в мікропорах та енергії активації конформаційних переходів уміжпоровому просторі вугілля, а також методи механіки суцільного середовища,які дозволили визначити параметри вібраційної дії на мікросорбційний простірвугілля для ефективної десорбції газу.
Наукові положення,що захищаються в дисертації:
1. Сорбційнийзв'язок молекул метану в мікропорі вугілля має коливальний характер, власнічастоти яких визначаються, в основному, розміром мікропор, зі збільшеннямдіаметра яких від 12 до 22 Å, вони зменшуються з 45 до 15 ГГц згідно зекспонентною залежністю.
2. Закономірностізміни мікроструктури вугілля при вібродії обумовлені конформаційними переходамив молекулярній структурі вугілля, що представляють собою перебудову вуглецевихланцюгів аліфатичної бахроми в графітоподібних шарах вугільної речовини, якіхарактеризуються енергією активації, яка складає 5 – 400 кДж/моль, і часомрелаксації молекулярної структури вугілля, що знаходяться в показовійзалежності від енергії активації.
3. Вібраційнийвплив на вугільний пласт, за допомогою індуціювання релаксаційних процесів умолекулярній структурі вугільної речовини, дозволяє досягати енергетичнихбар'єрів активації конформаційних переходів у структурі вугілля, за рахунокчого збільшується відстань між графітоподібними шарами, і, як наслідок, у 1,5 –4 рази відбувається підвищення коефіцієнта твердотільної дифузії молекул метанув міжпоровому просторі вугільної речовини, що дозволяє здійснювати ефективнудесорбцію газу.
Наукова новизнаотриманих результатів:
Вперше встановленовластиві частоти коливань молекул метану в мікропорах вугілля різного діаметра,що дозволяють використовувати резонансні режими вібродії для ефективноїдесорбції молекул метану з мікропор вугілля.
Вперше виконанийрозрахунок енергії активації конформаційних переходів у молекулярній структурівугільної речовини і визначена залежність міжшарової відстані у вугіллі відцієї енергії.
Вперше встановленазалежність параметрів твердотільної дифузії молекул метану від енергіїконформаційних переходів у молекулярній структурі вугільної речовини.
Вперше на основівстановлених кількісних закономірностей, що зв'язують параметри твердотільноїдифузії з енергією активації конформаційних переходів, яка враховуєрелаксаційний процес у молекулярній структурі вугільної речовини, обґрунтованіефективні частоти вібраційної дії, що дозволяють здійснювати ефективнудесорбцію метану з мікросорбційного простору вугілля.
Наукове значенняроботи полягає у встановленні закономірностей поводження сорбованого метану вмікропорі та у твердому кістяку вугілля у взаємозв'язку з конформаційнимиперебудовами його молекулярної структури при вібраційній дії, що забезпечуютьінтенсифікацію десорбції метану з мікросорбційного простору вугільного пласта.
Практичне значенняроботи полягає у наступному:
результатидисертаційної роботи використані при розробці методикигірничо-експериментальних робіт з газодинамічного розвантаженнямікросорбційного вугільного пласта вібраційною дією при проведенні підготовчихвиробок, яку було ухвалено Центральною комісією з питань вентиляції, дегазаціїта боротьби з газодинамічними явищами в шахтах вугільної промисловості України,та передано до МакНДІ;
запропонованіпараметри вібродії включені як уточнення параметрів вібраційного способу вгалузевий нормативний документ “Правила ведення гірничих робіт на пластах,схильних до газодинамічної активності”. -Київ. — Мінвуглепром України, 2005.-222 с.;
рекомендації зоцінки ефективності заходів щодо зниження газодинамічної активностівуглепородного масиву передані у ВАТ “Автоматгірмаш ім. В.А. Антипова” івключені в галузеву програму;
очікуваний річнийекономічний ефект від впровадження способу складає 788 тис. грн. на однувиробку.
Особистий внесокздобувача полягає у формулюванні мети і задач досліджень, ідеї роботи, їїнаукових положень, обґрунтуванні вибору методів і розробці загальної методикидослідження, аналізі й узагальненні отриманих рішень. Автор брав безпосереднюучасть у розробці методики газодинамічного розвантаження мікросорбційногопростору за допомогою вібраційного впливу.
Апробація роботи.Основні положення дисертаційної роботи були повідомлені на 58-й Студентськійнауково-практичній конференції Національного гірничого університету (2003 г);Третій всеукраїнській науковій конференції “Математичні проблеми технічноїмеханіки” (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 істудентів “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 динамічніявища в гірських породах і виробленнях” (м. Алушта, 2004, 2005 і 2006 р); наМіжнародній конференції “Форум гірників” (м. Дніпропетровськ, 2005, 2006 р); наконференції молодих учених “Геотехнічні проблеми розробки родовищ” (м.Дніпропетровськ, 2004 і 2005 г), на III Міжнародній науково-практичній конференції“Метан вугільних родовищ” (2004 г).
Публікації. Потемі дисертації опубліковано 13 наукових праць, з них 6 – у спеціалізованихвиданнях та одна монографія у співавторстві.
Структура та обсягроботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів, висновків і 4додатків. Вона викладена на 128 сторінках машинописноготексту, 43 рисунків, 27 таблиць, ісписку використаних джерел з 115 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У першому розділіприведено аналіз основних теоретичних підходів до встановлення ефективнихпараметрів вібродії для інтенсифікації газовіддачі вуглепородного масиву. Середних найбільш відомий розроблений у ІГТМ НАН України нормативний спосіб, прирозробці якого було встановлено, що одним з основних принципів ефективноївібродії є багаточастотна обробка макро — і мікропористого простору. У цьомупідході при визначенні вібраційних параметрів для інтенсифікації газовіддачі ізниження газодинамічної активності вуглепородного масиву методика розрахункуґрунтувалася на моделюванні газонасиченого тріщинуватого вуглепородного масивутрифазним середовищем. Проведені в такий спосіб розрахунки дозволили встановитилише ефективні параметри вібраційного впливу для інтенсифікації процесурозвитку тріщин і видимих тріщин у вуглепородному масиві, створюючи тим самимрозвиту систему фільтраційних каналів. Діапазон частот склав 100-1000 Гц.
Інший підхід дорозрахунку параметрів вібродії, запропонований В.О. Бобіним (ІПКОН РАН),охоплює широкий діапазон розмірів структури вугілля, здатного накопичуватиметан. При розрахунку частот впливу розгядалася модельна задача вільнихколивань розвантаженої частки вугілля. Частоти дії в цій моделі 10-100 МГц длямакропор, 1 ГГц для мезопор і 88 ГГц для мікропор (рис.1).
Розроблена у ВНДIГАЗ (В.Н. Белоненко) технологія дегазаціївуглепородного масиву і збільшення дебіту нафтових свердловин полягає у діїнизькочастотними пружними хвилями, які генеруються сейсмовібраторами з поверхніЗемлі.
У ІГС СВ РАН (М.В.Курленя) розробляється метод сейсмохвильової дії на систему “метан-вугілля” зповерхні землі чи в шахтних умовах сейсмовібраторами з частотою 10–22 Гц.
Таким чином,існуючі у даний час теоретичні підходи до розрахунку параметрів вібродії дляінтенсифікації газовіддачі вуглепородного масиву доповнюють один одного приоцінці ефектів вібропіслядії в складній ієрархічній структурі багатофазноговугільного середовища і є однаково значимими. Підходи ІГТМ НАН України і М.В. Курленіґрунтуються на феноменологічному моделюванні процесу вібродії на вуглепородниймасив, два інших так чи інакше припускають урахування мікроскопічних ефектів.
У зв'язку з цим уданий час необхідна розрахункова модель, що дозволяє описати фізику порушеннясорбційної рівноваги в мікропористій структурі вуглегазового середовища привібраційному впливі на неї, причому частоти вібродії повинні бути технічноздійсненні. Рішення такої задачі неможливе без детального вивченнямікроструктури вугілля, а також сорбційних та дифузійних процесів у системі“метан-вугілля”, що протікають на мікрорівні.
Відомо, що взалежності від ступеня метаморфізму в кожній тонні вугілля міститься від 5 до40 м3 метану. Метан міститься у вугільних пластах у тріщинах і порах, якіскладають фильтраційно-сорбційний простір вугільної речовини. В об’єміфільтраційного простору, складеному з перехідних пор, макропор і тріщин, газзнаходиться переважно у вільному стані і підкоряється законам фільтрації, а всорбційному, утвореному мікропорами – у сорбованому стані. Великий внесок удослідження 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 основнігіпотези взаємодії метану з вугільною речовиною. Відповідно до найбільшранньої, створеної і розробленої А.Т. Айруні, О.О. Скочинським, В.О. Бобіним,метан на 70-90% знаходиться у вугіллі в адсорбованому виді в мікропорах імезопорах, і на 10–30% – в макропорах і тріщинах, а взаємодія визначаєтьсясилами Ван-дер-Ваальса. Альтернативними цій гіпотезі стали гіпотези про те, щометан частково розчиняється в міжмолекулярному просторі вугілля, утворюючитвердий розчин, яку розвивали А.Д. Алексєєв, А.Т. Айруні та ін., а також проте, що метан у вугіллі знаходиться в хімічно зв'язаному стані, а саме, являєсобою елементи бахроми кристалітів, та десорбується за допомогою механохімічноїдеструкції вугільної речовини під час проходження виробки або розвитку викиду,прихильниками якого є В.В. Соболєв, М.М. Андрєєв, та ін. У даній роботіприйнятий розподіл метану по формах існування, згідно якому у макропорах татріщинах у вільному стані утримується від 5 до 12% метану, у сорбованому 8–12%,у міжмолекулярному просторі (у тому числі в мікропорах) –75 –80%.
Відповідно додомінуючої концепції побудови молекулярної структури вугілля встановлено, щонайбільш вірогідно моделювати її як систему взаємозалежних ароматичних іаліфатичних ділянок, тобто таких, що складаються з кристалітів і бахроми.Хімічна структура вугілля представлена у виді досить великих блоків, щовключають 3 – 10 найбільш типових первинних кластерів – елементарнихструктурних 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, крімтого, його десорбція відбувається надзвичайно повільно, тому при розробцітехнологій підвищення газовіддачі для забезпечення найбільш ефективноїдесорбції газу з мікросорбційного простору вугілля необхідно здійснюватиінтенсифікацію його газовіддачі.
В другому розділірозроблено загальну методологію проведення досліджень, зокрема, обґрунтовановибір методу молекулярного моделювання. Таким був прийнятий метод молекулярноїмеханіки, заснований на рівняннях класичної механіки. Взаємодія між атомами врамках методу описується потенціалом, що представляє собою суму потенціаліввалентної і деформаційної взаємодії; потенціали торсійної взаємодії, потенціалуелектростатичної взаємодії; потенціалу ван-дер-ваальсової взаємодії.
Існують такождодаткові потенціали, що описують, наприклад, водневі зв'язки, чи зв'язанівалентні – деформаційні взаємодії.
Сутність торсійноївзаємодії полягає в наступному. Для утвореного атомами С1-С2-С3-С4 торсійногокута, потенційна енергія за повний оберт навколо зв'язку С2-С3 буде мати видкривої, подібної до зображеної на рис.3 б. Бар'єри і западини на цьому рисункуназивають конформаціями – відповідно цис-, гош-, транс — і частково закритими.
Вид функційпотенціалу молекулярної механіки і вхідні в них параметри, що представляютьсобою набір констант та характеризують взаємодію між атомами, називаютьсясиловими полями. У роботі приведений короткий опис силових полів AMBER, OPLS,BIO+ і ММ+.
Як методрозрахунку часових параметрів молекулярних структур обраний метод молекулярноїдинаміки. Метод заснований на розрахунку сил, що діють на кожен атом системи якпохідних від потенціалу взаємодії між атомами по відстані між ними, інаступному рішенні рівнянь Ньютона, що вийшли, чисельним алгоритмомінтегрування. Для оптимізації молекулярних структур був прийнятий методсполучених градієнтів.
Також розробленометодологію проведення досліджень, яка включає в себе побудову моделімікроструктури вугілля, визначення параметрів та характеристик руху молекулметану в мікропорах вугілля, визначення характеристик трансформаціїмолекулярної структури вугілля на основі конформаційного механізмудеформування, а також ступеня їх впливу на змінювання дифузійних характеристикметану у міжпоровому просторі вугілля та визначення параметрів вібраційної діїна вугільний пласт згідно з характеристиками конформаційних переходів.
Третій розділприсвячено розробці моделі мікросорбційного простору вугільної речовини.
Відповідно дорезультатів досліджень методом малокутової рентгеноскопії форма мікропорвугільної речовини на різній стадії метаморфізму може бути ототожнена зциліндром, диском, чи сферою. При цьому сферична форма пор характерна восновному для вугілля середньої стадії метаморфізму і визначає закритумікропористість. У роботі досліджувалися сферичні мікропори, а в якості моделіповерхні мікропори була прийнята молекула фулерена, поверхня якої являє собоюсферу, що складається з кілець ароматичного вуглецю.
З урахуваннямприйнятої концепції побудови вугілля, за встановленим раніше експериментальнимиметодами інфрачервоної спектроскопії, ядерного магнітного резонансу та ін.хімічним складом вугільної речовини та шляхом використання методу молекулярноїмеханіки побудовані моделі міжпорового простору вугільної речовини трьохступенів метаморфізму – Ж, К і Т, відповідно зі змістом вуглецю 87,70, 89,10 і91,26%. Моделі містять 4 – 5 графітоподібних шарів, по 5 – 7 кластерів в одномушарі.
За результатамипобудови моделі мікроструктури вугільної речовини було проведено вибір силовогополя потенціалу взаємодії, який проводився шляхом розрахунку частот коливаньхімічних груп молекулярної структури вугілля, і зіставлення їх зекспериментальними даними інфрачервоного поглинання. Моделювання проводилосяметодом молекулярної динаміки для трьох силових полів, в результаті якого буловстановлено залежність валентних кутів та довжин зв’язку, після чогоперетворенням Фур'є виконувався перехід до частот коливань цих параметрів.Результати моделювання та обробки показали, що найбільш достовірно поводженнявугільної речовини описує силове поле ММ+, для якого максимальне відхиленняотриманих даних від експериментальних склало 4,6%, а в середньому – 1,8%.
У четвертомурозділі вирішена задача про рух молекул газу, зв'язаного зі стінкою пориван-дер-ваальсовими взаємодіями. В рамках цієї задачі визначено характерміжмолекулярної взаємодії у системі сорбат-сорбент. Встановлено основні вихіднідані для подальшого моделювання руху молекул метану у мікропорах вугільноїречовини, за які були прийняті побудовані у розділі 3 молекули фулеренів.
В результаті моделюванняповодження молекул метану в мікропорах методом молекулярної динаміки буливизначені траєкторії їхнього руху в ній. На основі цього шляхом перетворенняФур'є були побудовані амплітудно-частотні залежності, за мінімальним значеннямяких були визначені властиві частоти коливань молекул метану (табл.1), щодозволило встановити резонансні параметри вібродії на сорбований у мікропорахвугільної речовини метан.
Таблиця 1
Власні частоти коливань молекули метану в мікропорахрізного діаметраДіаметр модельної пори вугілля, Å 12 14 22 Резонансна частота, ГГц 45 38 15
Збільшення кількості молекул у модельніймікропорі вугілля не призводить до істотної зміни значень властивих частотколивань. 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 сплескамикінетичної енергії молекули, що здійснює перехід, яка експоненційнозбільшується зі збільшенням кількості молекул метану у мікропорі.
Вплив на вугільну речовину з частотами,зазначеними в табл.1, приведе до резонансного збільшення рухливості молекулметану і до активації процесу десорбції молекул метану з мікропор. Проте цічастоти лежать у області, яку в даний час надзвичайно важко досягнути.
П'ятий розділ присвячений визначеннюпараметрів вібраційної дії, що дозволяють забезпечити ефективну десорбцію газуз мікросорбційного простору вугільної речовини.
Унаслідок подібності молекулярної структуривугільної речовини до структури високомолекулярних речовин як модель поводженнявугільної речовини був прийнятий конформаційний механізм деформування,заснований на локальних перебудовах ланцюгів аліфатичної бахроми вугільноїречовини, які називаються конформаційними переходами.
Конформаційні переходи визначають релаксаційнівластивості вугільної речовини, причому в умовах вібродії при напрузі />,логарифмічний декремент поглинання можна представити у виді:
/>; />; />,(1)
де Е – модуль пружності речовини; Е1 – модульнакопичення, що характеризує пружність речовини, Е2 – модуль втрат, щохарактеризує в’язкі втрати, w – циклічна частота дії; t– час релаксації, зв'язаний з енергією активації конформаційнихпереходів DU співвідношенням tр=tр0exp(DU/RT), tр0=10-12 – 10-13 с-1.
На частотній залежності логарифмічногодекремента поглинання мають місце піки, обумовлені здійсненням конформаційнихпереходів, тому для визначення ефективних частот вібродії, а також визначенняступеня їхнього впливу на дифузійні параметри метану необхідно визначитиенергії активації конформаційних переходів.
Для цього було розроблено програму розрахунківенергій активації конформаційних переходів, що дозволяє розраховувати змінуміжшарової відстані при наявності конформаційних переходів, за допомогою якоїбули досліджені побудовані моделі міжпорового простору вугілля ступенівметаморфізму Ж, К і Т і отримані залежності значення міжшарової відстані віденергії активації конформаційних переходів (табл.2).
Таблиця 2
Усередненіпо діапазонах значення зміни міжшарової відстані для трьох ступенівметаморфізму вугілля, ÅДіапазон 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
Підстановкоюотриманих енергій активації конформационных переходів у рівняння (1), буливизначені частоти впливу, на яких мають місце максимуми в’язкопружногопоглинання.
Длявизначення ступеня впливу конформаційних переходів на інтенсивність десорбціїза допомогою моделі дифузії Пейса-Дейтинера, заснованої на урахуванні локальнихвзаємодій молекул метану із сегментами макромолекул, з урахуванням енергетичниххарактеристик метану в мікропорах, були визначені енергії активації ікоефіцієнти твердотільної дифузії молекул метану через міжпоровий простірвугільної речовини. За допомогою цього було розраховано зміну коефіцієнтадифузії метану у вугільній речовині при вібродії та без неї (табл.3)
Таблиця3
Зміна коефіцієнта дифузії молекулиметану при наявності конформаційних переходівВміст 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 зачасом дифузії метану з непорушених фрагментів вугільної речовини, якийвизначався згідно з вирішеним рівнянням Фіка:
/>. (2)
де с0 – початкова концентрація метану увугільному фрагменті;
с– концентрація метану на границі фрагментарадіусом R0;
r– відстань від центра фрагмента;
D – коефіцієнт дифузії.
Визначено залежність частот вібродії відглибини, що враховувалася через величину температурного градієнта, і описуєтьсяекспонентною функцією виду:
/>(3)
де w0, e – параметри, що характеризують зміну частоти впливу з глибиною.
Параметр e є приблизно однаковим длявугілля усіх ступенів метаморфізму, і в середньому складає 0,0019 м-1. Значенняпараметра w0, що відповідають їм, значення логарифмічного декремента загасання d на цій частоті іенергії активації конформаційних перебудов DU приведені в табл.4.
Таблиця 4
Значенняпараметра w0 для ефективних частот вібродії, та значення логарифмічного декрементапоглинання для вугілля досліджених ступенів метаморфізму, що їм відповідаютьСтупінь 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 – –
Приведенів табл.4 параметри дозволяють визначити ефективні частоти вібродії по формулі(3).
Отриманів даній роботі параметри вібродії дозволили встановити параметри вібраційноїдії для газодинамічного розвантаження та інтенсифікації десорбціїмікросорбційного простору вугільного пласта для зниження викидонебезпечності увибої підготовчих виробок, які приведено в табл.5.
Таблиця5
Параметри вібраційного способу зниженнявикидонебезпечності при проведенні виробокПараметр 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
Методикувиконання гірничо-експериментальних робіт з газодинамічного розвантаженнямікросорбційного простору вугільного пласта за допомогою вібраційної дії припроведенні підготовчих виробок було ухвалено МакНДІ і секцією Центральноїкомісії з викидів.
Данірозробки з уточнення параметрів вібраційного способу зниженнявикидонебезпечності включені у виді уточнень у нормативний документ “Правилаведення гірських робіт на шарах, схильних до газодинамічних явищ”.
Розробленірекомендації з оцінки параметрів ефективності заходів щодо зниженнявикидонебезпечності і поліпшенню умов дегазації вуглепородного масиву, включенів ТЕО ВАТ “Автоматгірмаш ім.В.А. Антипова” та увійшли в рамках елементів модуляв галузеву програму “Модульно-адаптивна прогностична система керуваннявугільною шахтою”, затвердженої міністром вугільної промисловості і Донецькоюобласною державною адміністрацією.
Обґрунтованістьі вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій, отриманих удисертації, підтверджується коректністю постановки задач, використаннямкласичних апробованих методів молекулярної механіки і динаміки, рішенням тестовихзадач, задовільної (до 95%) збіжністю результатів рішення тестових задач зданими експериментальних досліджень методами інфрачервоної спектроскопії,ядерного магнітного резонансу а також сейсморозвідки.
ВИСНОВКИ
Дисертація єзакінченою науково-дослідною роботою, в якій шляхом встановленнязакономірностей сорбційної взаємодії молекул метану з мікроструктурою вугіллята взаємозв’язку конформаційних перебудов у вугільній речовині з параметрамидифузії метану отримано нові наукові результати в галузі геомеханіки, якіполягають в обґрунтуванні параметрів багаточастотної вібраційної дії дляпідвищення ефективності та безпеки ведення підготовчих виробок на пластах,схильних до раптових викидів вугілля та газу.
Основні наукові іпрактичні результати роботи полягають у наступному.
1. На основіаналізу та узагальнення експериментальних досліджень про молекулярну імікропористу структуру вугілля побудовано модель мікросорбційного просторувугілля з його візуалізацією, що дозволяє розраховувати енергетичні і геометричніхарактеристики міжатомної взаємодії для різних ступенів метаморфізму вугілля.
2. Побудованомодель мікропори вугільної речовини, в якості якої було прийнято молекулифулеренів, які являють собою сфери діаметром від 7 до 22 Å, таскладаються з атомів конденсованого ароматичного вуглецю. Також побудованомоделі міжпорового простору вугілля різного ступеню метаморфізму, якіскладаються з 4-5 графітоподібних шарів по 5-7 кластерів у кожному шарі. Наоснові моделювання методом молекулярної механіки і динаміки та подальшогопорівняння з експериментальними спектрами інфрачервоної спектроскопії показано,молекулярна механіка з використанням силового поля ММ+ адекватно описуєвзаємодію у вугільній речовині: відхилення отриманих значень відекспериментальних даних не перевищує 7%.
3. Упершевстановлено, що рух молекул метану в мікропорах вугілля має характер коливань,властиві частоти яких експоненціально зменшуються з 45 до 15 ГГц при збільшеннідіаметра мікропори з 12 до 22 Å, та не залежать від кількості метану вмікропорах вугілля.
4. Розробленофізичну модель, математичний алгоритм і програму чисельного розрахунку оцінкивібраційної післядії на мікросорбційний простір вугілля, що базується наконформаційному механізмі деформування структури вугілля і дозволяєрозраховувати енергії конформаційних переходів у вугільній речовині при різнихпараметрах вібраційної дії.
5. Встановлено, щозакономірності зміни мікроструктури вугілля при вібродії обумовленіконформаційними переходами в молекулярній структурі вугілля, які представляютьсобою перебудову вуглецевих ланцюгів аліфатичної бахроми в графітоподібнихшарах вугільної речовини, які характеризуються енергією активації, яка складає5 – 400 кДж/моль, і часом релаксації молекулярної структури вугілля, що знаходятьсяв показовій залежності від енергії активації, що дозволило встановити зв'язокміж енергією активації конформаційних переходів і зміною міжшарової відстані увугіллі, яка має характер лінійної залежності.
6. Встановлено, щовібраційний вплив на вугільний пласт за допомогою індуціювання релаксаційнихпроцесів у молекулярній структурі вугільної речовини, дозволяє досягатиенергетичних бар'єрів активації конформаційних переходів у структурі вугілля,за рахунок чого збільшується відстань між графітоподібними шарами, і, якнаслідок, у 1,5 – 4 рази відбувається підвищення коефіцієнта твердотільноїдифузії молекул метану в міжпоровому просторі вугільної речовини, що дозволяєздійснювати ефективну десорбцію газу.
7. Визначеноефективні частоти вібродії на мікросорбційний простір вугільного масиву, якідля моделі вугільної речовини із вмістом вуглецю 89,10% складають значенняпорядку 3, 370 та 3,3*104 Гц для глибини залягання пласта1000 м, тривалість дії на частоті 3 Гц при амплітуді дії 7 кПа з радіусом віброобробки5 м склала порядку 5 год.
8. Залежністьефективної частоти віброобробки на мікросорбційний простір вугільного масивувід глибини залягання вугільного шару носить характер зростаючої експонентноїфункції, і в інтервалі глибин 400 – 1400 м зростає для вугілля зі змістомвуглецю 89,1% з 1,5 до 13 Гц.
9. Результати,отримані в дисертаційній роботі, були використані при розробці методикивиконання гірничо-експериментальних робіт з газодинамічного розвантаженнямікросорбційного простору вугілля за допомогою вібраційної дії при проведенніпідготовчих виробок, переданої в МакНДІ. Параметри вібродії для зниженнявикидонебезпечності при проходженні виробок включені у виді уточнень у “Правилабезпеки ведення гірських робіт на шарах, схильних до газодинамічних явищ”.Розроблені рекомендації з оцінки ефективності заходів щодо зниженнявикидонебезпечності і дегазації вуглепородного масиву ввійшли в: ТЕО ВАТ“Автоматгірмаш” ім.В.А. Антипова “Модульно-адаптивна прогностична системакерування вугільною шахтою” та у галузеву програму “Модульно-адаптивнапрогностична система керування вугільною шахтою”, затверджену Міністерствомвугільної промисловості і Донецькою облдержадміністрацією в 2006 р.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХРОБІТ ЗДОБУВАЧА ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Минеев, С.П. Активациядесорбции 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 сорбционныхпроцессов в газонасыщенном углепородном мас сиве при нестационарномтехнологическом 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 // МатериалыТретьей всеукраинской научной конференции“Математические проблемы технической механики”. –Днепродзержинск: ДДТУ, 2003. – С.153.
5.Корнилов, М.Г. К уравнению состоянияадсорбированного 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 массиве [Текст] /С.П. Минеев, А.А. Прусова, М.Г. Корнилов // Матеріалиміжнародної конференції “Форум гірників – 2005”, Т.3. – Д.:НГУ, 2005. – С.151–156.
7.Корнилов М.Г. Молекулярно-механическаямодель 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 газоносныхпластов в сложных условиях [Текст] /С.П. Минеев, А.А. Прусова, М.Г. Корнилов, А.Г. Исютин // Материалы VМеждународной научной школы-семинара “Импульсные процессы в механике сложныхсред”. – 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 // Матеріалиміжнародної 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 // МатериалыXIV Международной научной школы им. академика С.А. Христиановича – Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2004. – С.89-93.
11.Корнилов, М.Г. Осостоянии адсорбированного метана в угольном массиве [Текст] / М.Г. Корнилов, А.С. Петленко// Материалы международной научно-технической конференции молодыхучених, 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 микропористомпространстве угля [Текст] /С.П. Минеев, А.А. Прусова, М.Г. Корнилов // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамическиеявления в горных породах и выработках: Материалы XVМеждународной 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 диффузионныхпроцессов в микросорбционном пространстве угля [Текст] /С.П. Минеев, А.А.Прусова, М.Г. Корнилов, А.А. Рубинский// Деформирование и разрушение материалов с дефектами идинамические явления в горных породах и выработках: МатериалыXVI Международной научной школы им. академика С.А. Христиановича – Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2006. – С.188 – 194.
АНОТАЦІЯ
Корнілов М.Г. Обґрунтуванняпараметрів вібраційної дії на мікросорбційний простір вугілля для ефективноїдесорбції газу. – Рукопис.
Дисертація наздобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність 05.15.09 –“Геотехнічна та гірнича механіка”. Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. ПоляковаНАН України, Дніпропетровськ, 2008.
Дисертаціяприсвячена вирішенню актуальної наукової задачі обґрунтування параметріввібраційної дії на мікросорбційний простір вугілля для ефективної десорбціїгазу.
На основі аналізуекспериментальних даних попередніх досліджень щодо взаємозв’язку метану тавугілля, молекулярної структури вугілля побудовано модель мікроструктуривугільної речовини, визначено кінематичні та енергетичні параметри метану вмікропорах вугілля, обґрунтовано конформаційний механізм деформування вугільноїречовини, встановлено вплив конформаційних переходів на параметри дифузіїметану у міжпоровому просторі. Встановлено параметри вібродії намікросорбційний простір вугілля для ефективної десорбції газу. Розробленуметодику виконання гірничо-експериментальних робіт з газодинамічногорозвантаження мікросорбційного простору вугільного пласта вібраційною дією припроведенні підготовчих виробок було ухвалено Центральною комісією з питаньвентиляції, дегазації та боротьби з газодинамічними явищами в шахтах вугільноїпромисловості України та передано до МакНДІ. Запропоновані параметри вібродіївключені як уточнення параметрів вібраційного способу в галузевий нормативнийдокумент “Правила ведення гірничих робіт на пластах, схильних до газодинамічноїактивності”.
Ключові слова:мікросорбційний простір, газонасичений вугільний пласт, вібродія,молекулярна структура вугілля, молекулярне моделювання, конформаційні переходи.АННОТАЦИЯ
Корнилов М.Г. Обоснованиепараметров вибрационного воздействия на микросорбционное пространство угля дляэффективной десорбции газа. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученойстепени кандидата технических наук по специальности 05.15.09 – “Геотехническаяи горная механика”. Институт геотехнической механики им.Н.С. Полякова НАНУкраины, Днепропетровск, 2006.
В диссертации на основеустановления закономерностей нарушения сорбционного равновесия вмикросорбционном пространстве угольного вещества при вибрационном воздействиирешена актуальная научно-техническая задача интенсификации десорбциимикросорбционного пространства угля посредством вибровоздействия.
На основе анализа экспериментальныхданных предыдущих исследований и применении методов молекулярного моделированияпостроены модели микропоры и межпорового пространства угольного вещества.Проведена проверка адекватности описания поведения построенных моделей,показавшая, что отклонение полученных результатов от экспериментальных непревышает 4,6%.
Методами молекулярногомоделирования установлены основные закономерности поведения молекул метана вмикропорах угольного вещества, в частности установлены собственные частотыколебаний молекул метана в микропоре.
Установлен механизмдеформирования молекулярной структуры угля, состоящий в конформационныхперестройках молекулярной структуры угольного вещества, и при помощи методамолекулярной механики определен диапазон энергий активации конформационныхперестроек в угольном веществе, а также сопровождающее эти переходы изменениемежслоевого расстояния.
Применением моделиПейса-Дейтинера определены параметры твердотельной диффузии молекул метаначерез межпоровое пространство угольного вещества, а также их зависимость отмежслоевого расстояния.
На основе расчета временрелаксации молекулярной структуры, экспоненциально связанных с энергиямиактивации конформационных переходов, рассчитанызависимости логарифмического декремента поглощения волны вибровоздействия от еечастоты, что по пикам поглощения позволило определить эффективные частотывибровоздействия. Необходимая продолжительность вибровоздействия определяласьпо решенному уравнению диффузии.
По результатам, полученным вдиссертационной работе, была разработана методика газодинамической разгрузкимикросорбционного пространства угля посредством вибрационного воздействия,переданная в МакНИИ, а также рекомендации по оценке эффективности мероприятийпо снижению выбросоопасности и улучшению условий дегазации, переданных в ОАО“Автоматгормаш им. В.А. Антипова”.
Ключевые слова: микросорбционноепространство, газонасыщенный угольный пласт, вибровоздействие, молекулярнаяструктура угля, молекулярное моделирование, конформационные переходы.
SUMMARY
Kornilov M. G.Substantiation of parameters of vibroinfluence on microsorption space of coalfor effective gas desorption. –Manuscript.
Dissertationfor 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.
Thedissertation is dedicated to the solution of an actual scientific problem ofsubstantiation of parameters of vibroinfluence on microsorption space of coalfor effective gas desorption.
On the basis ofanalysis of experimental data of previous investigation of intercommunicationof methane and coal, molecular structure of coal the model of microstructure ofcoal matter is built, kinematics and energetic parameters of methane in coalmicropores are determined, the conformational mechanism of coal matter issubstantiated, the effect of conformational transitions on the diffusionparameters of methane in interporous space is established. The parameters ofvibroinfluence on a microporous space of coal for effective gas desorption areestablished. The developed methodic of mining-experimental job for gas dynamicsunloading of microsorption space of coal seam by vibroinfluence during thedriving of preparation working was approved by the Central commission byquestions of ventilation, degasation and fight with gas dynamics phenomenon inmines of coal industry of Ukraine and was passed into MakSII. The offeredparameters of vibroinfluence was included as a clarification of parameters ofvibrational method into an of particular a branch normative document “The rulesof driving of mining works on seams, witch are inclined to gas dynamicactivity”.
Keywords:microsorptional space, gas-saturated coal seam, vibroinfluence, molecularstructure of coal, molecular modeling, conformational transitions.