О параметрах вибрационного воздействия на угольный массив для повышения метаноотдачи угля Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 1

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98» МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98

Проф В.Г. Вилькер, д.т.н., Московский государственный университет, доц. М.В. Павленко, к.т.н.,

Московский государственный горный университет

О параметрах вибрационного воздействия на угольный массив для повышения метаноотдачи угля

Основными направлениями по повышению газоот-дачи из неразгруженного массива являются мероприятие по увеличению трещиноватости угля, создание густой сети трещин, необходимой для десорбции газа и его каптажа. К такому мероприятию можно отнести колебательное воздействие на угольный массив через скважины, пробуренные в угольном пласте. Борьба с метановыделением в действующие горные выработки из угольного пласта является по существу проблемой управления сорбционными процессами в угольном массиве. Имеющийся экспериментальный материал по изучению сорбции-десорбции метана убедительно говорит об обратимости сорбционных процессов.

Одна из проблем взаимодействия метана с углем -накопление в трещино-пористой структуре газа и отдачи его при воздействии на него активным методом. Потенциальная возможность увеличения скорости десорбции метана возможна в результате активного воздействия на газоугольный массив, при этом реализуется возможность разделения на две фазы (твердую и газообразную).

Доминирующее значение в регулировании этого состояния в структуре угля, особенно в обеспечении максимальной газоотдачи, принадлежит механическим (вибрационным) воздействиям. Сложность построения общей теории разделения гетерогенной системы уголь-метан обусловлена разнообразием меха-низмовтечения этих процессов, таких как скорость га-зоотдачи, условий и параметров подводимых к этой системе механических воздействий и в первую очередь вибрационных особенностей взаимодействия элементов уголь+метан между собой.

Для решения практических задач по выведению метана из твердого раствора уголь-газ важно знать не только сорбционные свойства исследуемого угля, но и скорость выделения метана из него при различных термодинамических условиях.

Имея большой опыт применения теории фильтрации к решению задач газовой динамики, до настоящего времени практические расчеты по определению скорости газовыделения из угля строятся на эмпирических зависимостях. Сложность здесь заключается в несоответствии модели мгновенного перехода десорбированного метана в фильтрационный поток, а также сложность математического аппарата.

Предложенная физическая модель качественно описывает экспериментально наблюдаемые закономерности выделения метана из угля.

На экспериментальном лабораторном стенде в МГГУ проведены испытания волнового воздействия на уголь с применением вибростенда в условиях замкнутой системы с целью изучения кинетики распада системы «уголь-метан».

При этом, варьируя параметры амплитуды и частоты на вибростенде, решали задачу нахождения оптимального соотношения этих параметров для передачи максимальной энергии на образец при вибрационном воздействии с целью получения наибольшего метано-выделения. Пусть J2 - перемещение стола вибратора, Jl - координата шарика (материальная точка) (рис.1).

Рис.1.

Ось Оу - вертикальна. Законы движения стола вибратора и шарика таковы:

J2 = Я cos at, -ж<ґ <+ж (1)

g2

J1 = -у (t -11) + hcosat1 - Яа sinat1(t -11),

t >t1.

Момент t1 соответствует отрыву шарика от основания, тогда ускорение стола равно ускорению свободного падения.

(2)

g = -Яа cos a t1.

Если предположить, что Xro2»g, то

at1 ~ - 'f

(см. графики рис.2)

Момент удара (удар абсолютно неупругий) соответствует равенству Jl ((пр) ^пр^пр)^

+ Acosat1 - Яа sinat^ -11) = Acosa^

(3)

2

Рис.2.

Разность скоростей в момент удара Ao=J2 (Хф) - J1 (tф) должна быть максимальной, т.к. энергия потерянных скоростей идет на высвобождение метана. Имеем

Аи=-Ха sin cotпр +g (t„p-ti) + Ха sin a ti (4)

Из уравнений (2,3) можно определить ti, tnp и далее согласно (4) найти А и. Задача состоит в том, чтобы варьируя параметры Х и а (точнее следует зафиксировать Х и варьировать ю) найти максимальное значение А и. Дадим приближенное решение задачи.

Пусть g/Ха2 «1, тогда at i ж -л/2.

Далее

yi =- I (Хф+о +х-о +Ха01- (~Ха)2 (tф + а ~

« а + ° + О -\(хф + га)2

Аи ж -Ха sin аХф + у @ф +л/2а)+Ха sin a ti

Найдем максимум А и по tф. Имеем ^ =-Ха2- cos оХф + g = 0 ^ cos аХф = а

(5)

Из соотношения (5) следует, что «ближайшая» точка Хф равна

atф=2л-аrccos g/Ха2 жЗл/2 (6)

Подставим это соотношение в (3) и получим

- о(2л-агссоХ?+агссо!Ха?)2а=0

Так, после cos аХ1 =cos аХф. Отсюда следует

gn ж Ха 2 => а2 = gn/Х (7)

Таким образом, из соотношения (6) определяется частота а (при заданной амплитуде Х), при которой достигается максимальное выделение энергии при вибрациях. Пример:

Х=Ю3 м; g = 9,8 м/сек2 ; а =175,4 i/сек.

Что соответствует а = 27,9 Гц.

Экспериментальные исследования метановыделе-ния при волновом (колебательном) воздействии на поверхность отдельностей угля показали, что основная частота при которой максимально активизируется выделение метана, соответствует диапазону 25-45 Гц и амплитуде 4-2,5 мм. Энергии волновых полей исследуемых частот, приводящих к распаду системы уголь-метан, обусловлены определенной амплитудой и деформационными колебаниями.

Поэтому основным требованием по повышению метаноотдачи из угольного массива при вибровоздействии является установление определенного соотношения частоты и амплитуды вибрации, при котором создается условие не только для раскрытия трещин, но и для сохранения их в течение определенного времени. Передача энергии колебания при этом достаточна для направленного отрыва молекул метана и его каптажа из массива. Результат воздействия, в конечном итоге, позволит осуществить предварительную дегазацию неразруженного угольного массива до начала ведения очистных работ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бутенин Н.В. Теория колебаний. М., Из-во «Высшая школа», 1963.

© В.Г. Вилькер, М.В. Павленко