CC BY
44
--------------------------------- © Г.Я. Полевщиков, Т.А. Киряева,
2009
УДК 622.232.72:622.02.2
Г.Я. Полевщиков, Т.А. Киряева
ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ УГЛЕМЕТАНА
Рассмотрена связь изменений структуры углеметанового вещества под влиянием внешних воздействий динамическими газопроявлениями в угольных шахтах, которая позволяет уточнить физико-химические основы прогноза управления газодинамическим состоянием углеметанового пласта.
Ключевые слова: структура, фазовые состояния, метан, угольный пласт, газодинамика, горные работы.
и я ерспективы подземной разработки газоносных угольных
.И. Л. месторождений и технико-экономические показатели работы шахт в значительной мере определяются горногеологическими особенностями месторождений, свойствами и состоянием геоматериалов.
Информационной базой наших исследований служили каталоги, изданные ВостНИИ в 1968 г. и МакНИИ в 1985 г., которые содержат данные по 1476 пробам углей разрабатываемых месторождений Кузбасса, Донбасса и Львовско-Волынского бассейнов [1, 2]. При анализе изотерм сорбции аппроксимация результатов измерения выполнялась уравнением Ленгмюра. Наряду с существенным количественным уточнением эмпирических функций обнаружен качественно новый эффект - бифуркации параметров сорбционной метаноемкости (рис. 1). Минимальное значение газоносности угольных пластов, при которой в бассейне зарегистрирован внезапный выброс (10 м3/т) и установлена граница ее выбросоопасных значений (>12 м3/т), соответствуют значениям предельной сорбционной метаноемкости, при которых начинается отклонение значений начальной интенсивности от прямой (10 см3/г) и лежит точка бифуркации (12 см3/г).
Указанные особенности согласуются с выбросоопасностью основных стратиграфических структур Кузбасса. Следовательно, при ведении горных работ в зонах бифуркации параметров связи уголь-метан, пласт как совокупность элементов различной степени устойчивости генетически способен сформировать 146
зг
ю
й- го
<Х> -
13
с X
(О 03
1 / Выбросоопасная глубина, Н, м
С2 250 -А СЛ -
1 1 эи
/ \У -320-
/ А 2
//// ^ более
/А 700
со ав акр
Подсерии
Нижнебалахонская
Верхнебалахонская
Ильинская
Ерунаковская
О 5 10| а, см3/г 20
Предельная сорбционная метаноемкость Кольчугинская |
1 \ Балахонская
серии
Рис. 1. Изменения показателей сорбционной метаноемкости углей Кузбасса и выбросоопасность пластов при подземной разработке месторождений: а0 -
предельная сорбционная метаноемкость при атмосферном давлении; акр - критическое значение предельной сорбционной метаноемкости; ав - выбросоопасное значение предельной сорбционной метаноемкости; G1 - нижняя граница бифуркации параметров сорбционной способности угля; G2 - верхняя граница бифуркации параметров сорбционной способности угля; у ь у2 - градиенты устойчивого изменения сорбционной способности
возмущающий импульс, достаточный для развития саморазрушения. Эти качества объясняют внезапность, лавинообразность и очаговый характер природно-технологических явлений в угольных шахтах.
С применением методов теории устойчивости систем определены величины энергии релаксации системы уголь-метан при смене метастабильных состояний.
При оценках устойчивости систем принято использовать экспоненциальную зависимость. Уравнение Ленгмюра имеет подобный график, но обладает интересным с этой позиции преимуществом - абсцисса точки пересечения значений предельной сорбционной метаноемкости и касательной к графику функции при Р=0 равна абсциссе точки на этом графике, в которой величина метаноемкости составляет строго половину предельного значения (рис. 2). Иначе говоря, характеристику полураспада.
Рис. 2. Схема к расчету показателей устойчивости метаноемкости угля
X ильинская подсерия ■ верхнебалахонская подсерия
Рис. 3. Зависимость предельных значений энергии релаксации Епр при полном газоистощении пласта от выхода летучих веществ (Кузбасс)
Тогда можно принять, что ордината этой точки определяет емкость релаксации выведенной из равновесия системы уголь-метан. Согласующееся изменение давления газа определяет второй параметр устойчивости - давление релаксации. Их произведение определяет энергетический показатель полураспада (рис.3). Сравнивая эти данные с кривой бифуркации, видим их соответствие по градиентам устойчивых изменений параметров, точкам перегибов функций и различиям в газодинамических свойствах углей стратиграфических структур Кузбасса. Здесь просматривается не только разделение стратиграфических структур Кузбасса согласно их газодинамической активности, но и явное выделение наиболее опас-
ной из них - нижнебалахонской подсерии.
Их графика видно, что на средней стадии метаморфизма имеем максимальные значения релаксации энергии метаноносности. Если привлечь данные о бифуркации параметров сорбционной метаноем-кости углей, то очевиден вывод: максимальному энергетическому потенциалу углеметановых пластов соответствует крайняя неустойчивость сорбционного потенциала углей.
В тоже время, величина релаксации энергии системы является лишь показателем ее энергетического потенциала, который характеризует среду с позиций ее саморазрушения. Но его размерность позволяет проводить сравнения и с другими соответствующими характеристиками сред и процессов при решении различных задач геомеханики.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каталог метаноемкости углей Кузбасса. - Кемерово, ВостНИИ. 1969. -
32 с.
2. Каталог коллекторских свойств каменных углей и антрацитов Донецкого и Львовско-Волынского бассейнов. - Макеевка - Донбасс, МакНИИ. 1985. - 20 с. ЕИЭ
Polevshikov G. J., Kiryaeva T.A.
GAS-DYNAMIC STABILITY OF CARBONMETHANE GEOS-MA TERIAL
Is examined the connection of changes in the structure of carbonmethane substance under the effect of the external actions by dynamic phenomena of gas in the coal mines, which makes it possible to refine the physical chemistry the bases of the forecast of control of the gas-dynamic state of carbonmethane layer.
Key words: structure, phase states, methane, coal layer, gas dynamics, coal mining.
___ Коротко об авторах _________________________________________________
Полевщиков Геннадий Яковлевич - доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией газодинамики и геомеханики угольных месторождений, Учреждение российской академии наук Институт угля и углехимии СО РАН, тел.: 8-903-907-39-75,
Киряева Татьяна Анатольевна - кандидат технических наук, научный сотрудник, Учреждение российской академии наук Институт угля и уг-лехимии СО РАН, E-mail: kiryaevata@kemsc.ru
