CC BY
1
6. Lyashenko V.I., Golik V.I., Klyuyev R.V. Assessment of the effectiveness of hy-drogeological and environmental protection during underground block extraction of metals from ores // Mining sciences and technologies. 2022. Vol. 7. No. 1. pp. 5-17.
7. Golik V.I. The practice of using disintegrators for the mechanochemical activation of the binding component of concretes // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. 2021. Issue. 2. Pp. 155-167.
8. Concretes from mining waste for underground construction / V.P. Stas [et al.] // Technologies of concretes. 2022. No. 1 (180). pp. 35-40.
9. Correction of concrete properties in mining production / Yu.V. Dmitrak, V.H. Dzaparov, V.P. Stas, P.P. Stas // Technologies of concrete. 2020. No. 9-10 (170-171). pp. 3943.
10. Management of the state of stress-deformed masses by stress relief / V.I. Golik, N.G.O. Valiev, G.H. Sharipzyanova, V.B. Kelekhsaev // Izvestiya vysshikh uchebnykh uchebnykh zavody. Mining magazine. 2023. No. 5. pp. 29-37.
УДК 622
МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕ ИЗ СМЕЖНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
НА ОЧИСТНОМ УЧАСТКЕ ШАХТЫ «ЛИСТВЯЖНАЯ»
В. В. Мельник, А. Н. Качурин, В. Г. Шехманов, А. И. Болгова
Для прогноза полей концентрации метана рассчитана динамика газовыделения на шахте «Листвяжная». Эти закономерности далее использованы в качестве исходных данных. В результате моделирования установлено, что метановыделение из выработанного пространства очистного участка составляло 96 %, при этом доля подработанных пластов спутников равна 67 %, а на остальные источники метановыделения приходится всего 4,7 % при неработающем очистном комбайне. Метановыделение из надрабатываемого пропластка составляло 48,87 м3/мин. Метановыделение из надрабатываемого пласта Сычевский I (нижний) достигало 10,18 м3 /мин. Абсолютная метанообильность призабойного пространства подготовительного штрека при неработающем комбайне могла достигать 64,65 м3/мин.
Ключевые слова: смежный угольный пласт, метановыделение, подработка пласта, надработка пласта, математическая модель.
Газовыделение в очистной забой из смежных угольных пластов.
Для моделирования газовыделения в очистной забой № 823 из смежных угольных пластов использованы теоретические основы рудничной аэрогазодинамики, а конкретно раздел «Теория фильтрации газов в подработанных угольных пластах спутниках». Целесообразно воспользоваться научными результатами Б. Г. Тарасова [1].
Суммарное поступление метана в выработанное пространство очистного участка включает газовыделение из подработанных и надрабо-танных горных пород, и смежных угольных пластов. В этом процессе
участвуют породы и смежные угольные пласты, затронутые процессом сдвижения горного массива.
Расчетная схема метановыделения в выработанное пространство из подработанного смежного угольного пласта представлена на рис. 1.
тс
Рис. 1. Расчетная схема метановыделения в выработанное пространство из подработанного смежного угольного пласта: 1 - горные породы зоны обрушения; 2 - подработанный смежный угольный пласт; 3 - породы почвы разрабатываемого угольного пласта; 4 - поток метана из подработанного пласта спутника
То есть целесообразно рассматривать метановыделение из подработанного смежного пласта как его фильтрацию через зону обрушения пород в выработанном пространстве. Такая модель дегазации смежных угольных пластов может быть использована и при изучении метановыделения из надработанных смежных пластов. Отличие будет лишь в количественном значении проницаемости надработанных пород по сравнению с подработанными породами. Тогда математическая модель рассматриваемого процесса изотермической фильтрации метана будет иметь следующий вид
[1-7]:
dp2 d2p2
= к-
dt dz2 ' p2 (z ,0) = p2 (0, t) = pi = const, p2 (H, t) = p
const,
(1) (2)
z
H
0
где р - давление метана в обрушенных породах, создаваемое метаном, выходящим из подработанного смежного угольного пласта; 2 - пространственная координата; г - время; к - пьезопроводность обрушенных горных пород в выработанном пространстве; ра - атмосферное давление; р0 -начальное давление метана в смежном угольном пласте при начальной природной газоносности; Н - расстояние от смежного угольного пласта до внешней поверхности пород почвы разрабатываемого угольного пласта.
Введем обозначения: Р = р2(г,г)-р0](р2а - р0) \ Бо/ = к/И2,
2 = г / И. Решение уравнения (1) для условий (2) можно записать следующим образом [2]:
р2 (2, г)- ро2 =
= егГ
ро
ег&
а2 пИ + г Л
24К
- ег&
а2пИ - г Л
(3)
п=1
где Бог - фильтрационный критерий Фурье.
С учетом принятых обозначений зависимость (3) примет вид
2
Р (2 ,Бо г ) = егГ
ЕЕ
п=1
ег&
г \
2 п + 2
ег&
г \
2 п - 2
(4)
Анализ зависимости (4) показывает, что при малых значениях фильтрационного критерия Фурье (что представляет практический интерес при прогнозе газовыделения из смежных угольных пластов) аргументы интегралов вероятности велики, а сами интегралы вероятности близки к нулю. Таким образом, слагаемые бесконечного ряда зависимости (4) будут близки к единице, поэтому численным значением этого бесконечного ряда можно пренебречь. Следовательно, справедлива следующая приближенная формула
р2 (г, г)- ро2
егГ
2уГК
(5)
ра - ро
Скорость метановыделения в выработанное пространство из смежного угольного пласта пропорциональна градиенту давления метана в обрушенных породах. Для изотермической фильтрации метана справедливо следующее равенство:
где
др2
2 = Н
(р0 - Р)
Ро
ехр
др 1 др2
д2 2 = Н 2 ро д2
с Н2 ] = о,564
-
V 4кг У
(6)
2=Н
(Ро2 - р2 )
Ро
ехр
' 0,25Л
Бо
г У
Отсюда получим, что фильтрационный поток метана в выработанное пространство из подработанного пласта-спутника будет описываться следующей зависимостью:
Бо„
Г4 (г) = 33,84
сп.п V / '
К.п Уо.з (Ро2 - р1 ) г ехр(-0,25/ т)
ЦРо Н
/
ёт.
(7)
где Бо вп - значение фильтрационного критерия Фурье для выработанного
пространства очистного участка.
Численное значение фильтрационного критерия Фурье для выработанного пространства можно рассчитать по формуле
Р*К.пг
Ро
в.п Н2
Н2 ' (8) тв.пН
где квп, кеп, шеп - пьезопроводность, газовая проницаемость и пустот-
ность выработанного пространства соответственно.
Введем функцию фильтрационного критерия Фурье для выработанного пространства очистного участка фв п (Бов п):
ф (Бо )
тв.п\ в.п;
/
ехр (-о,25/ т)
Тт
ёт.
(9)
Тогда формула для расчета абсолютного метановыделения из подрабатываемого угольного пласта-спутника примет следующий вид:
I пп (г ) = 33,84
кв.п 1о.Усз ( Ро2 - Р1)
цро Н
Фв.п (Ров.п ) .
(1о)
Вычислительные эксперименты позволили построить график функции фвп (Бовп) (рис. 2) и получить формулу, аппроксимирующую эту функцию (коэффициент детерминации составил 0, 9992):
Фв.п (Ровп) = -8 • 1о-7Бо6.п + 3 • 1о-5Ров.п - о,ооо5 РоАвл + о,оо4 Ро3вл -
-о,о167 Бо2.п + о,о439 Бов.п + о,оо2. (11)
ю
Ро„
Рис. 2. График функции фв п (Бов п)
Определим численное значение критерия Фурье по формуле ро =1 • '°-;;86400 .7,85.
вп ^твпн ;; •;о-;2о,; •ш
По графику на рис. 2 находим фвп (7,85) = 0,1005. Пластовое давление метана определяем по формуле
х
Р
пр
т / ура + а • Ь
МПа.
(12)
Абсолютное метановыделение из подрабатываемых смежных угольных пластов-спутников рассчитано по формуле (10), а результаты сведены в таблицу.
Метановыделение из смежных угольных пластов-спутников
Название пласта-спутника Мощность пласта-спутника, м Мощность междуп-ластья, м Природная газоносность, о м /т Пластовое давление метана, МПа Абсолютное газовыделение, о м /мин
Подрабатываемые смежные угольные пласты
Грамотеинский II 3,15 280 3,42 0,44
Пропласток 0,59 263 3,79 1,2 0,56
Окончание
Грамотеинский I 1,18 255 4,05 1,3 0,66
Пропласток 0,22 254 4,08 1,3 0,68
Сычевский IV 5,64 170 7,14 2,2 2,94
Сычевский III 0,93 145 7,54 2,4 4,10
Сычевский II 3,87 93 8,53 2,7 8,09
Пропласток 0,30 85 8,69 2,7 8,85
Пропласток 0,30 76 8,86 2,8 10,65
Пропласток 0,30 51 9,30 2,9 17,02
Пропласток 0,14 19 10,29 3,2 55,65
Подработанные вмещающие породы 13,60
Итого по подработанным пластам-спутникам 104,36
Надрабатываемые смежные угольные пласты
Пропласток 0,25 2,5 10,64 3,3 1139,4 2
Сычевский I Нижний 1,15 12 10,34 3,2 237,38
Итого по надработанным пластам-спутникам 1376,8 0
Всего по выработанному пространству Лавы № 823 1481,1 6
Расчет метановыделения из надработанного угольного пласта Сычевский I (нижний). Физическая модель метановыделения из надработанного угольного пласта Сычевский I (нижний) представлена на рис. 3.
Математическая модель вертикальной изотермической фильтрации метана имеет следующий вид [8]:
д 2 д22
^ = 0 < z < H, 0 <t <+ да, (13)
dt dz2
начальные и граничные условия:
p2 (z,0 ) = pi = const, p2 (0, t ) = p2 = const, p2 (H, t ) = pi = const; (14)
d H p 2 ( z ))
—\ 2 ' = 0, 0 < z < H, (15)
dz
p2 (0)j = p2a = const, (p2 (H)) = pi = const; (16)
dip 2 (z)
2 = 0, 0 < z < H; (17)
dz
[p2(0)) = p2a = const, (p2(H)) = p,2 = const. (18)
Решение уравнения (17) для условий (18) имеет вид
(p2 (z)} = p2 + (p02 - p2)zH-1. (19)
Следовательно, ^р2 (2- это предел, к которому стремится квадрат давления метана в надработанной толще при условии: t ^ да.
Ра
Почва выработки
0
Фильтрационный поток метана
Надработанные породы
1
Надработанный угольный пласт
¡11111111
■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И ■ И'
ч.ч.ч.ч.ч-.ч-.ч-.ч
Рис. 3. Расчетная схема фильтрации метана в выработки очистного участка № 823 и в вентиляционный штрек № 823 шахты «Листвяжная» из надработанного угольного пласта Сычевский I (нижний)
Рассмотрим функцию V (2, t), которая удовлетворяет следующему уравнению:
dv д v
к-
0 < z < H, 0 <t <+ да.
(20)
dt dz2
При этом начальные и граничные условия для функции v (z, t) имеют вид
v (z,0 ) = p02 = const, v (0, t ) = v (H ,0 ) = 0. (21)
Решение уравнения (20) для условий (21) известно [9-10] и получено в следующем виде:
z
V(г,г) = 1,273 2п +!) *ехр -(2п +1)2 п2кНЛ
п=0
хБт Г( 2п + 1)пгН _11. (22)
Тогда решение уравнения (13) для условий (14) можно записать следующим образом:
\2_2.
X
р2(2,г) = р2 + (р02 - р1 )гН-1 +1,273 р02£(2п +1)-1 ехр -(2п +1)2 п2кН-
п=0
X
х Бт
(23)
(2п + 1)пгН
Чтобы рассчитать фильтрационный поток метана, необходимо вычислить первую производную от давления метана р. Эта производная связана с производной от квадрата давления следующим соотношением:
др 1 др2 др 1 др 2
дъ 2р дъ д ъ 2 =0 2р „ дъ 2 =0
2=0
Производная от квадрата давления (23) имеет вид
др 2 дг
Н ■
(р02 - р2а )
л 2 +<х> г -.
+ _ъро.^ехр -(2п +1)2 п2кНсовГ(2п + 1)пгН-
Н
п=0
Тогда на внешней поверхности надработанных пород (т.е. на внешней поверхности почвы разрабатываемого угольного пласта) эта производная может быть представлена в следующем виде:
др2
дъ
Н
-1
г=0
>02
ра
) + 4 ро Е ехР
п=0
-(2п +1)2 п2 кН—
(2_)
Таким образом, используя закон Дарси, и ограничиваясь первым членом ряда в формуле (24) получим зависимость для определения фильтрационного потока метана из надработанных пород:
(25)
У м
0,5 кн (цраН)-1 {(р02 - р°) + 4 р
?°ехР
-9,87 кН -2/
} •
где кн - среднее значение газовой проницаемости надработанных пород;
ц - динамическая вязкость метана.
Анализ зависимости (25) показывает, что с течением времени фильтрационный поток метана из надработананных пород стремиться к некоторому стационарному значению.
У» = Ит ]м = 0,5 кн (р° - р° )(цраН)-1. (26)
Зависимость (26) наглядно свидетельствует о том, что предельное значение фильтрационного потока будет в каждом конкретном случае зависеть глубины залегания надработанного угольного пласта, фильтрационных свойств надработанных пород и их природной газоносности, которая определяет величину начального давления метана. Очевидно, что
мероприятия по дегазации надработанных горных пород позволят снизить метановыделение в атмосферу очистной и подготовительной выработки.
Введем фильтрационный критерий Фурье в качестве безразмерного времени: Бо ^ = кН .
Тогда получим следующую зависимость для прогноза динамики метановыделения с надработанной поверхности:
\_1 -2
1н.п (Ро/ ) = 0,5(]м _ ^ )№аН (¥н.пК )_ Р_2 =
п=0
£ ехр -9,87 (2п + 1)2Бо
I
(27)
где !нп - безразмерное значение метановыделения из надработанных пород; Гнп - площадь надработанной поверхности почвы .
График зависимости (28), представленный на рис. 4, показывает, что безразмерное значение метановыделения 1н п убывает до нуля с увеличением фильтрационного критерия Фурье.
При этом для инженерных расчетов можно использовать приближенную формулу:
I н.п (Ро 7)« ехр (_9,87Бо /). (28)
н.п
О . :
О . 6
0.4
0.2
0.1
0.2
0.3
0.4
РСг
Рис. 4. График зависимости безразмерного метановыделения 1н от фильтрационного критерия Фурье БоI
В данном случае прошло достаточно много времени и установилось некоторое стационарное распределение давления метана вдоль надрабо-танного породоугольного слоя. Тогда фильтрационный поток метана в выработки очистного участка и подготовительной выработки из надработан-ного угольного пласта «Сычевский I (нижний)» будет соответствовать формуле (26). Следовательно, прогноз метановыделения в выработки очистного участка и подготовительной выработки из пропластка и надра-ботанного угольного пласта «Сычевский I (нижний)» целесообразно осуществлять, используя следующую формулу:
4> = 30^.А (Ро2 - Р2а )(нРаН)-1 м3/мин, (29)
где Енп - площадь поверхности контакта надработанного породоугольно-го слоя с атмосферой выработки очистного участка и подготовительного штрека.
Таким образом, для очистного забоя получим, что метановыделение из пропластка
С = зо^А (Ро2 - Ра)(МРаН)-1 =
30 • 240 • 10-14 (12 - 0,12) =--п 25,92 м3 /мин.
11 • 10-12 • 0,1 • 2,5
Метановыделение в очистной забой из пласта Сычевский I (нижний)
Сп = 30пкп (Р02 - Р2а )(МРаН)-1 = (12 - 0,12)
30 • 240 •Ю-14 (12
11 •Ю-12 • 0,1 • 12
5,4 м /мин.
Аналогично для призабойного пространства подготовительного штрека получим, что
- метановыделение из пропластка
Сп = 30FHппкп (Р02 - Р2а )(нРаН)-1 =
30• 200•Ю-14(1,52 -0,12)
--'-п 48,87 м3/мин;
11 • 10-12 • 0,1 • 2,5
метановыделение из пласта Сычевский I (нижний)
С = 30пкп (Р02 - Ра2 )(НРаН)-1 =
30 • 200 •Ю-14(1,52 -0,12)
--- « 10,18 м3 /мин.
11 • 10-12 • 0,1 • 12
Таким образом, доказано, что скорость метановыделения из надра-ботанной угленосной толщи представляет собой функцию фильтрационно-
го критерия Фурье, которая стремится к асимптотическому значению, зависящему глубины залегания отрабатываемого угольного пласта, от газовой проницаемости надработанных пород, свойств газа и природной газоносности надработанной толщи.
Выводы
Для прогноза полей концентрации метана получены следующие результаты прогноза газовыделения на шахте «Листвяжная», которые далее использованы в качестве исходных данных.
1. Метановыделение из выработанного пространства очистного участка составляет 96 %, при этом доля подработанных пластов спутников равна 67 %, а на остальные источники метановыделения приходится всего 4,7 % при неработающем очистном комбайне.
2. Метановыделение из надрабатываемого пропластка составляет 48,87 м3 /мин.
3. Метановыделение из надрабатываемого пласта Сычевский I (нижний) составляло 10,18 м3 /мин.
4. Абсолютная метанообильность призабойного пространства подготовительного штрека при неработающем комбайне могла достигать 64,65 м3 /мин.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-17-00148, https://rscf.ru/project/23-17-00148/.
Список литературы
1. Тарасов Б.Г. Газовый барьер угольных шахт. М.: Недра, 1978.
2. Аэрология горных предприятий / К.З. Ушаков, А.С. Бурча-ков, Л.А. Пучков, И.И. Медведев. М.: Недра. 1987. 421 с.
3. Прогноз метановой опасности угольных шахт при интенсивной отработке угольных пластов / Н.М. Качурин, В.И. Клишин, А.М. Борще-вич, А.Н. Качурин // Тула - Кемерово, 2013. 220 с.
4. Динамика метановыделения в очистной забой при отработке мощных пологих угольных пластов с выпуском подкровельной пачки / Н.М. Качурин, А.Ю. Ермаков, Д.Н. Шкуратский, А.Н. Качурин // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып. 4. 2017. С. 170-180.
5. Качурин Н.М., Сенкус Вал.В., Ермаков А.Ю. Теоретическое обоснование феноменологического закона сопротивления при фильтрации газов в горном массиве // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) (ГИАБ). М.: Горная книга, 2018. № 7. С.61-68.
6. Качурин Н.М., Сенкус Вал.В., Ермаков А.Ю. Системный подход к обеспечению вентиляции и безопасности угольных шахт по аэрогазоди-
намическому фактору // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) (ГИАБ). М.: Горная книга, 2018. № 7. С.212-218.
7. Качурин Н.М., Ермаков Е.А., Ермаков А.Ю. Прогноз метановой опасности геотехнологии подземной добычи угля и метана при выемке пологих угольных пластов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) (ГИАБ). М.: Горная книга, 2018. № 6. С.207-213.
8. Ермаков А.Ю. Выделение метана с поверхности обнажения угольного пласта при высокой скорости подвигания очистных и подготовительных забоев // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) (ГИАБ). М.: Горная книга, 2018. № 4. С.98-105.
9. Качурин Н.М., Сенкус В.В., Ермаков А.Ю. Системный подход к технологии оценки метановой опасности очистных участков шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) (ГИАБ). М.: Горная книга, 2018. № 4. С.106-118.
10. Качурин Н.М., Сенкус Вал.В., Ермаков А.Ю. Физическая модель и математическое описание переноса метана в горном массиве сорбирующих пород // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) (ГИАБ). М.: Горная книга, 2018. № 5. С.81-88.
Мельник Владимир Васильевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Москва, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»,
Качурин Александр Николаевич, канд. техн. наук, инженер, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Шехманов Владимир Геннадиевич, инженер, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Болгова Анастасия Игоревна, асп., anastasia_bolgova@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
METHANE RELEASE FROM ADJACENT COAL BEDS AT THE REFINEMENT SITE OF THELISTYAZHNAYA MINE
Melnik V.V., Kachurin A.N., Shekhmanov V.G., A.I. Bolgova
To predict methane concentration fields, the dynamics of gas release at the Listvyazhnaya mine was calculated. These patterns used as initial data. Because of the modeling, it established that methane release from the mined-out space of the mining site was 96%, while the share of under-worked satellite layers was 67%, and the remaining sources of methane release accounted for only 4.7% when the shearer was not working. Methane release from the overworked layer was 48.87. Methane release from the overworked Sychevsky I
(lower) formation reached 10.18. The absolute methane abundance of the bottom-hole space of the preparation drift with the miner not working could reach 64.65.
Key words: adjacent coal seam, methane release, undermining of the seam, overworking of the seam, mathematical model.
Melnik Vladimir Vasilyevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, [email protected] , Russia, Moscow, National Research Technological University "MISiS",
Kachurin Alexander Nicolaevich, candidate of technical sciences, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Shekhmanov Vladimir Gennadievich, engineer, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Bolgova Anastasia Igorevna, postgraduate, anastasia_bolgova@,mail.ru , Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Tarasov B.G. The gas barrier of coal mines. M.: Nedra, 1978.
2. Aerology of mining enterprises / K.Z. Ushakov, A.S. Burchakov, L.A. Puchkov, I.I. Medvedev. M.: Nedra. 1987. 421 p.
3. Forecast of methane hazard of coal mines during intensive mining of coal seams / N.M. Kachurin, V.I. Klishin, A.M. Borshchevich, A.N. Kachurin // Tula - Kemerovo, 2013. 220 p.
4. Dynamics of methane release in the treatment face during the development of powerful shallow coal seams with the release of a roofing bundle / N.M. Kachurin, A.Y. Er-makov, D.N. Shkuratsky, A.N. Kachurin // Proceedings of the Tula State University. Earth Sciences. Issue 4. 2017. pp. 170-180.
5. Kachurin N.M., Senkus Val.V., Ermakov A.Yu. Theoretical substantiation of the phenomenological law of resistance during filtration of gases in a mountain range // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal) (GIAB). M.: Gornaya kniga, 2018. No. 7. pp.61-68.
6. Kachurin N.M., Senkus Val.V., Ermakov A.Yu. A systematic approach to ensuring ventilation and safety of coal mines according to the aero-gas dynamic factor // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal) (GIAB). M.: Gornaya kniga, 2018. No. 7. Pp.212-218.
7. Kachurin N.M., Ermakov E.A., Ermakov A.Yu. Forecast of methane hazard of ge-otechnology of underground coal and methane mining in shallow coal seams // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal) (GIAB). M.: Mining book, 2018. No. 6. pp.207-213.
8. Ermakov A.Yu. Methane release from the surface of a coal seam outcrop at a high rate of movement of treatment and preparation faces // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal) (GIAB). M.: Gornaya kniga, 2018. No. 4. pp.98-105.
9. Kachurin N.M., Senkus V.V., Ermakov A.Yu. A systematic approach to the technology of methane hazard assessment of mine treatment sites // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal) (GIAB). M.: Gornaya kniga, 2018. No. 4. pp.106-118.
10. Kachurin N.M., Senkus V.V., Ermakov A.Yu. Physical model and mathematical description of methane transport in a mountain range of forming rocks // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal) (GIAB). M.: Gornaya kniga, 2018. No. 5. Pp.81-88.
УДК. 552.525
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ АДСОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ ГЛИН, АКТИВИРОВАННЫХ ДАВЛЕНИЕМ И ИОНАМИ
ЖЕЛЕЗА
В.В. Середин, М.А. Джугинисов, К.В. Шеина
Изменения адсорбционных свойств глинистых грунтов под влиянием механических давлений и насыщения ионами железа изучены не в полной мере. Поэтому в данной работе рассмотрены закономерности адсорбции водяного пара глинистыми грунтами, которые были обработаны давлениями и насыщены ионами железа, также изучены процессы адсорбции и десорбции ионов Fe3+ бентонитовой и каолиновой глинами. Изучение изменений адсорбционных свойств глинистых грунтов необходимо для понимания процессов, происходящих в грунтах, как в природных, так и в антропогенных условиях, особенно в случае загрязнения грунтов. Экспериментально установлено, что адсорбционная способность глин по отношению к водяному пару возрастает при обработке их давлением. При обработке глин давлением и при последующем насыщении их ионами железа в бентонитовой глине адсорбционная активность снижается в диапазоне 0-150 МПа, при более высоких давлениях изменяется незакономерно. В каолине происходит рост адсорбции при давлениях до 200 МПа, но она уменьшается при давлениях от 200 до 800 МПа. Бентонитовая глина, подвергнутая давлению до 10 МПа, способна адсорбировать ионы FeC¡3. С увеличением давления до 300 МПа, наоборот, ионы железа достаточно интенсивно переходят из твердой компоненты глины в раствор. При давлениях 300... 800МПа вынос ионов железа из минеральной части глин прекращается, о чем свидетельствует нестационарный вид изменчивости. У образцов каолиновой глины, обработанных давлением в диапазоне от 10 до 200 МПа, адсорбция ионов FeC¡3 не наблюдается, минеральная часть, наоборот, интенсивно поставляет ионы Fe+3 в раствор. С увеличением давления до 800 МПа интенсивность поставки ионов железа в раствор из минеральной составляющей каолина снижается.
Ключевые слова: обменные катионы, адсорбция, сорбция, десорбция, лаж-ность, давление, бентонит, каолинит, кристаллическая решетка, глина.
Введение
Для решения вопросов, связанных с управлением физико-химических свойств глин, используются технологии их активации путем: механической [1 - 4], термической [5,6], щелочной [7], кислотной [8] обработки.
Обработке глин давлением посвящены работы нескольких авторов La Iglesia [9] однако, вопросы, связанные с обработкой бентонитовой и ка-
