CC BY
19
6. Эттингер И.Л., Шулъман Н.В. Распределение метана в порах ископаемых углей. - М.: Наука, 1975.
7. Уракаев Ф.Х. Интенсивность фрактоэмис-сии минералов // Науки о Земле. Физика и механика геоматериалов. - М.: Вузовская книга, 2002.
8. Иванова B.C., Баланкин А.С., Бунин И.Ж., Оксогоев А.А. Синергетика и фракталы в материаловедении. - М.: Наука, 1994.
9. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. - М.: Наука, 1974.
10. Одинцев В.Н. Внезапный выброс угля и газа - разрушение природного угля как раствора метана в твердом веществе // ФТПРПИ. - 1997. - N 6.
і— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------
Одинцев Владимир Николаевич - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Бунин Игорь Жанович - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, ИПКОН РАН
----------------------------------------- © B.C.Забурдяев, 2004
УДК 662.69 B.C. Забурдяев
О НЕОБХОДИМОСТИ РАЗРАБОТКИ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МАССИВ УГЛЯ ЧЕРЕЗ ПОДЗЕМНЫЕ СКВАЖИНЫ С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ ВЗРЫВОВ ГАЗА И ПЫЛИ
Семинар № 5
звестно, что все особенности органических соединений определяются свойствами элемента углерода. Структура внешнего электронного слоя углерода 282р2. В нормальном состоянии 2 электрона на &-орбитали и по одному на р-орбиталях. За счет имеющихся 2-х неспаренных электронов на р-орбитали атом углерода может образовывать две ковалентные связи. При затрате энергии один из имеющихся в атоме 28 - электронов переходит на подуровень 2р; в результате атом углерода переходит в возбужденное состояние. Для перевода атома углерода в возбужденное состояние требуется более 435 кДж/моль.
Все четыре неспаренных электрона внешнего электронного слоя атома углерода участвуют в образовании четырех ковалентных связей. В случае образования четырех ковалентных связей водородом образуется простейшее
органическое соединение углерода - метан. Это простейшее соединение создает крупные неприятности при отработке пластов угля, имеющих высокую метаноносность и, следовательно, шахт с высокой метанообильностью.
Известно также, что уголь высокомолекулярное вещество, представляющее собой сложную дисперсную систему. Макромолекула органической массы угля в основном состоит из фрагментов, доля которых зависит от степени метаморфизма, при этом атомы С(8р2) входят в состав ароматических фрагментов, а атомы 0>р3) - алифатических углеродов. Структура ячейки (ядра) макромолекулы угля примерно одинакова и отличается в ряду метаморфизма лишь числом бензольных и нафтеновых ароматических колец (мельчайших кристалликов с разупорядоченной структурой графита) и количеством боковых цепочек. Ячейки макро-
молекул угля соединены между собой с помощью боковых цепочек из алифатических, нафтеново-алифатических, кислородсодержащих СОН, СО, СООН и других групп, например, СН3, СН2 и СН, определяющих межмолекуляр-ное упорядочение. Потери кислородосодержащих групп в ряду метаморфизма от бурых до коксующихся углей приводят к уменьшению их влажности в связи с тем, что структурные единицы теряют полярный характер в основном из-за исчезновения гидроксильных групп и, естественно, приводят к уменьшению гид-рофильности углей.
Наши и зарубежные ученые отмечают, что:
• химическая формула макромолекулы
угля средней степени метаморфизма
СббЛб^^б;
• рост молекул угля в процессе углефи-кации, т.е. с возрастанием степени метаморфизма, происходит в основном за счет увеличения количества ароматических колец, являющихся ядрами макромолекулы, и числа углерод - углеродных связей при параллельной потере кислородсодержащих групп;
• силовые постоянные связей С-С(8р3-8р3) и С = С(8р2-8р2) равны 4,5 и 9,7 Н/м соответственно;
• средние энергии связей С-С и С-Н* в алифатических соединениях в зависимости от влияния силовых полей ядер и электронов соседних атомов измеряются соответственно в пределах 250-260 и 360-410 кДж/моль. В нафтеново-алифатических соединениях энергия связи С-С составляет 290-320 кДж/моль, а энергия связей кислородсодержащих групп -С-О 310-340, 0-0 до 400, О-Н 420-470 кДж/моль;
• средняя энергия связи между ароматическими ядрами макромолекулы в слое приблизительно пропорциональна числу углеродных атомов в этом слое. Энергия связи между слоями, построенными из 35-40 ароматических углеродных атомов в коксующихся углях, составит 210-250 кДж/моль. Энергия связи между молекулами коксующегося угля слабее, чем энергия связей между молекулами углей других стадий метаморфизма.
Исходя из величин энергии связей, в процессе разрушения углей в первую очередь будут разрываться с образованием активных радикалов межслоевые связи и химические связи
боковых цепочек, которые имеют меньшие энергии взаимодействия. Это связи С-С и С-О (рис. 1). Именно эти разорванные связи и их количество в момент разрушения при прочих равных условиях определяют многие механические и физико-химические свойства углей, например, пористость, трещиноватость, коксуемость, пылеобразующую способность углей, их смачиваемость и др. Эти свойства в основном определяются структурой внешнего электронного слоя атомов или групп атомов.
Еще ранее Н.В. Ножкин отметил, что “Смачиваемость определяется главным образом интенсивностью взаимодействия твердой и жидкой фаз. Взаимодействие угля с нерастворяющими его жидкостями обусловлено в основном силами Ван-дер-Ваальса. Интенсивность такого взаимодействия определяется либо величиной дипольного момента жидкости при взаимодействии с полярной частью угля, либо способностью молекул жидкости образовывать водородные связи с радикалами СН угля” (1).
Изменение энергии разрыва связей в зависимости от их длины показывает следующее:
• энергия разрыва водородной связи при длине 3 А (0,3 нм) изменяется от 8 до 42 кДж/моль в зависимости от влияния силовых полей соседних атомов и в среднем составляет 25 кДж/моль;
• энергия ионных решеток сил Ван-дер-Ваальса (сил межмолекулярного взаимодействия) при длине связей 3,5 - 3,9 А в среднем равна 12 кДж/моль;
• энергия разрыва ординарной ст-связи
С-Н в алифатических и нафтеново-
алифатических цепочках при длине связи 1,09 А составляет 360 кДж/моль. Для отрыва атома водорода в молекуле метана необходимо затратить более 435 кДж/моль;
• энергия разрыва ординарной ст-связи С-С в алифатически-ароматических соединениях коксующихся углях при длине связи 1,491,54 А составляет 250-210 кДж/моль, а С-О -315 кДж/моль при длине 1,36 А. Для отрыва атома водорода в молекуле воды необходимо затратить 495-500 кДж/моль, в молекуле водорода - 431-435 кДж/моль (0,74 А);
* Энергия разрыва связей (энергия диссоциации) метана СН4 составляет 435,1 кДж/моль, а метоксильной группы СН3 - 457,7 кДж/моль
• энергия разрыва двойной ст-связи С=С в алифатических цепочках при длине связи 1,31-1,34 А в среднем составляет 420 кДж/моль, а двойной ст-связи 0=0 - 690-750 кДж/моль при длине связи 1,3-1,2 А;
• энергия разрыва ст-связи С=С в бензольных ароматических ядрах (кольцах) при длине связи 1,4 А составляет 370-415 кДж/моль, а двойной ст-связи С=С в карбоксильных группах увеличивается до 1045 кДж/моль. Длина межатомной связи в молеку-
лах графита равна 1,42 А. Следовательно, энергия разрыва ст-связи будет несколько меньше,
чем в молекулах бензольных ароматических ядер.
Поскольку л-связи ориентированы перпендикулярно к плоскости, в которой расположены ст-связи, и перекрываются над и под этой плоскостью, то энергия л-связи меньше энергии ст-связи и в среднем равна 150 кДж/моль. Следовательно, в процессе разрушения массива угля в первую очередь разрываются л-связи в боковых цепочках и между слоями бензольных и других ароматических соединений.
Анализ приведенных энергий разрыва связей и анализ других литературных источников, посвященных углеводородным веществам, в том числе и метану, а также собственные исследования показывают, что способы снижения остаточного содержания метана в отбитом из пласта и разрушенном угле (химическим путем после дегазации пласта) при современных достижениях науки и техники, опубликованных в открытой печати осуществить невозможно. Так, например, при реакции взаимодействия метана с атомарным кислородом образуется весьма ядовитый метанол СН40. Диссоциация метанола приводит к образованию формальдегида СН20 - газа с резким неприятным запахом. При реакции взаимодействия формальдегида с молекулой кислорода конечным продуктом являются вода и не менее опасный оксид углерода.
Нижние пределы воспламенения метана, метанола, водорода, оксида углерода и сероводорода приведены в таблице.
При механических воздействиях на уголь как в процессе его разрушения, так и в процессе заблаговременной обработки пластов происходит целый ряд физико-химических изменений. К физическим можно отнести изменение пористой структуры и образование новых ак-
Рис 1. Изменение энергии разрыва связей органических соединений в зависимости от расстояния между ядрам и молекул
тивных поверхностей, появление интенсивных электрических полей, электронной эмиссии, свободных радикалов, к химическим - разрыв химических связей органических веществ угля, выделение летучих веществ СН4, С02,02,Н2, и др. В процессе механических воздействий преобразуется исходная пористая структура углей, разрушаются макропоры, частично разрушаются переходные и микропоры. Наряду с преобразованием исходной пористой структуры
формируются новые вторичные поры, представляющие собой вновь образованные микротрещины (2).
Для заблаговременной обработки угольных пластов и надрабатываемой угленосной толщи через подземные скважины с целю интенсификации процесса дегазации, снижения газо-обильности горных выработок и снижения вероятности взрывов газа и пыли разработаны способы и средства для осуществления поставленной выше задачи. (3-6).
В качестве средства воздействия на пласт (пласты) необходимо использовать установку для генерации гидравлических импульсов давления (рис. 2-3). Установка позволяет воздействовать на горный массив с величиной импульсов до 100 МПа; удобна в обслуживании, оперативна в перезарядке, технологична. При необходимости способна осуществлять 5-10 циклов воздействия на каждой скважине.
Импульсы высокого давления до 100 МПа способствуют разрыву химических связей С-С, С-О, С-Н, л-связи в ароматических соединениях, создают в пласте искусственные трещины, макро- и микропоры, что повышает газопроницаемость пласта и обеспечивает интенсивную дегазацию скважинами с последующим насыщением угольного массива жидкостью. Насыщение жидкостью снижает пыле- и искрообра-зование, уменьшает вероятность взрыва мета-нопылевоздушной смеси от фрикционного зажигания.
Рис 2. Схема гидроимпульсного воздействия на угольный пласт: 1 - горная выработка; 2 - пласт; 3 - важина; 4 -установка для генерации гидравлических импульсов давления; 5 - устройство обсадное; 6 - ствол; 7 - трубопровод для подачи рабочей жидкости; 8 - трубопровод для подачи вязкой жидкости
Новые технологии и параметры извлечения Рис 3. Устройство для гидроимпульсного воздействия на пласт: 1 - газогенератор; 2 - пласт; 3 - скважина; 4 -втулки конусные обжимные; 5 - устройство обсадное; 6 - ствол; 7 - трубопровод для подачи рабочей жидкости; 8 -клапан; 9 - фланец
метана через подземные скважины изложены в способах: способ дегазации надрабатываемой угленосной толщи (4), способ подготовки угольных пластов к отработке (5), и способе дегазации угольного пласта (6). Задачи изобретений - повышение безопасности очистных и подготовительных работ за счет более полной дегазации угольного массива и уменьшения вероятности образования взрывчатой смеси в процессе работы горных комбайнов по пластам, имеющим твердые включения, например, пирита.
Предложенные технические решения включают нагнетание через скважины рабочей жидкости в статическом режиме давления, с созданием в пласте сеть трещин и пор и заполнением их жидкостью с последующим динамическим режимом нагнетания, например, воздействием с помощью установки для генерации гидравлических импульсов давления.
В процессе воздействия на пласт с помощью вышеупомянутой установки газообразные продукты химической реакции с высокой скоростью и высокой температурой в первый момент создают в рабочей жидкости ударную волну, а затем газ вытесняет жидкость. Напряжения, возникающие в массиве вследствие действия ударной волны и вытеснения рабочей жидкости газом, приводят к раскрытию имевшихся в массиве и формированию новых вторичных трещин и пор. Более того, газообразные продукты, имеющие высокую температуру осушают трещины и поры, расположенные вокруг скважины, освобождая пути для выхода метана в скважину и далее в систему труб шахтной дегазации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. - М., Недра, 1979. 272с.
2. Хренкова Т.М., Кирда B.C. Механическая активация углей. - Химия твердого топлива. - 1994, - №б. С.36-42.
3. Рубан А.Д., Забурдяев B.C., Сергеев ИВ., За-бурдяев Г.С., Козлов В.А. и др. Установка для генерации гидравлических импульсов давления. // Патент РФ № 2127364 С1, б Е 21 С 37/12, Е 21 F 5/00, - 1999, бюл. №7.
4. Рубан А.Д., Забурдяев B.C., Сергеев ИВ., Забурдяев Г.С., Козлов В.А. и др. Способ дегазации надра-
батываемой угленосной толщи. // Патент РФ № 2152518 С1, 7 Е 21 F 7/00, - 2000, бюл. № 19.
5. Рубан АД., Забурдяев B.C., Сергеев И.В., Забурдяев Г.С., Брайцев А.В. Способ подготовки угольных пластов к отработке. // Патент РФ № 2166637 С2, 7Е 21 F7/00, - 2001, бюл. № 13.
6. Рубан АД., Забурдяев B.C., Забурдяев Г.С., Способ дегазации угольного пласта // Заявка № 2001133797 с приоритетом от 18.12.2001. Положительное решение Роспатента.
і— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------
Забурдяев В. С. — кандидат технических наук, ННЦ ГП - Институт горного дела им. А.А. Скочинского.
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ Д Ш ^ ^ & Г 1 А Ц И И
Автор Название работы Специальность Ученая степень
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПЕТРОВСКИЙ Разработка эффективных и безопасных технологий 25.00.22 Д.т.н.
Борис и средств очистнои выемки сложноструктурных ка-
Иванович лийных пластов Старобинского месторождения
------------------------------------------- © B.C.Забурдяев, 2004
УДК 662.69 B.C. Забурдяев
ПУТИ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ВЗРЫВОВ МЕТАНА И УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ В ШАХТАХ
Семинар № 5
звестно, что в течение многих лет в угольных шахтах РФ и СНГ происходят взрывы газа метана, из них в среднем в 20 % принимает участие угольная пыль, при этом экономический ущерб в несколько раз превышает ущерб от взрывов метана. Так, например, экологический ущерб от взрыва метанопылевоздушной
смеси после катастрофы на шахте “Центральная” в Воркутском регионе Печорского бассейна составил 40,2 млн. рублей. Подавляющее большинство таких катастроф имеет место в шахтах с высокой метанообильностью, высоким удельным пылевыделением пласта и весьма низким нижним
