CC BY
39
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ “НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА 97" МОСКВА, МГТУ, 3.02.97 7.02.97
СЕМИНАР 1 “ ПРОБЛЕМЫ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ (ДОБЫЧИ) МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
М.В.Павленко, к.т.н.
Московский Государственный горный университет
УСЛОВИЯ, СПОСОБСТВУЮЩИЕ РАСПАПУ ГАЗОУГОЛЬНОГО ТВЕРДОГО РАСТВОРА
Использование данных о уровнях строения вещества угля при решении инженерных задач в угольной промышленности возможно лишь путем установления связи между уровнями организации вещественных элементов, слагающих газоносный угольный массив, и макроскопическими свойствами этого массива.
В природных условиях система "уголь-газ" может быть представлена широким спектром состояния; от предельно гомогенного до максимально гетерогенного.
Количественными характеристиками перехода газоугольной системы в гомогенное состояние являются величины механического напряжения и содержания газа, соответствующие такому переходу в различных компонентах угля. В зависимости от соотношения составляющих для углей имеется значительная область механических напряжений и концентрация газа, которая соответствует переходу в гомогенное состояние. Обнаружение такого перехода, выражающегося в резком увеличении концентрации газовых молекул, является прямым экспериментальным и теоретическим доказательством существования твердых газоугольных растворов.
Вещество угля в природных условиях в отсутствии внешних воздействий находится в стабильном состоянии, т.е. все процессы преобразования внутреннего строения идут очень медленно, а в массопереносе преобладают процессы подчиняющиеся законам диффузии.
Перед воздействием внешней нагрузки (горного давления) происходит преобразование газонасыщенного угля, сопровождающееся выделением газов.
Процессы газопереноса по угольному пласту неразрывно связаны со структурными преобразованиями угля, которые определяются процессами деструкции и поликонденсации. Массопе-ренос метана в угле, обусловлен формой существования газа в угле.
Различия в динамике протекания этих процессов полиморфизм отчетливо проявляется и в изменении сорбционных (растворимость газов в углях) свойств. Особенное научное и прикладное значение имеет устойчивость гомогенного газоугольного твердого раствора. Этот раствор определяется параметрами: а*
тензор механических напряжений, Т температура, х концентрация газа. В одной области значений этих параметров устойчивым является однородное состояние этой системы, в другой неоднородное. Граница между областями значений этих параметров определяется уравнением Г(Оис; Т) = 0, зависящим от особенности системы. Поэтому внезапное, под действием внешних воздействий, изменение параметров аж или Т приводит к неустойчивости однородного состояния исходной системы газоугольного твердого раствора.
В природных условиях наиболее быстрым изменениям подвержен параметр а*, зависящий от внешних механических нагрузок. Это может происходить в результате естественных изменений в
земной коре или влияния воздействий. При Т = const граница равновесия является линией CTik = CTik(x).
В настоящей работе под руководством акад. РАЕН Ю.Ф. Васючкова исследованы особенности метаноотдачи от характера воздействия на твердый раствор (уголь-метан) с целью интенсификации процесса газовыделения. Указанным методом была изучена метаноотдача из твердого раствора, предварительно адсорбированного в течение 6 72 часов
при f = 19 - 22°С на угле с фракцией от 0,1 мм до 5 мм.
Изменяя параметры испытуемого образца угля, а также характер воздействия, удалось получить изменение соотношений скоростей процесса газовыделения. При проведении эксперимента в натурных (шахтных) условиях должно достигаться оптимальное соотношение этих воздействий, что обеспечит стабильное метановыделение.
Для дальнейшего исследования, особенно в натурных условиях, необходимо изучить метаноотдачу из твердого раствора углевмещающих пластов и пропластов, как при высоком так и при низком содержании метана.
На опытной установке с изменяющимися параметрами амплитуды процесс протекает с различной активностью распада системы твердого раствора.
С целью выяснения причин метаноотдачи из твердого раствора мы провели сопоставление сорбционной активности системы (уголь-метан) в режиме насыщения и газоотдачи при определенных температурах. В ходе опыта изменялась амплитуда колебания, вес угля. По мере протекания процесса после достижения шах газовыделения наблюдалось газовыделение метана. Следовательно, метановыделение из твердого раствора зависит от степени предварительной насыщенности его метаном и воздействия на поверхностно-активный слой угля, содержащий на своей активной поверхности молекулы метана.
Очевидно, дополнительный метан, находящийся в молекулярном, растворенном (внедренном) в структуре угля, следует получать из твердого раствора, в процессе активного акустического воздействия.
Такому требованию удовлетворяют результаты экспериментов проводимых на опытной установке МГТУ. Наилучшие показатели метановыделения были достигнуты на установке при амплитуде колебаний Л = 3 мм, со - 50.. и 1° -20°С. При переходе от системы С/СШ к разделенной системе С (уголь) и СШ, распад, вероятно, связан с нестабильностью твердого раствора и при воздействии на ГУТР подвергается разделению системы. Кривая метановыделения во времени при 1° = 20°С имеет участок выполаживания, что связано с потерей поверхностью твердого раствора растворенного в нем молекул метана, а при определенных температурах, в начальный период, метановыделение осуществляется с разными константами скорости. Однако характер кривых совпадает как при относительно низкотемпературной так высокотемпературной областью, и представляет собой кривую "гистерезиса". Полученные результаты позволяют предположить, что происходит отрыв молекул СН4 от активных центров молекул угля, чему способствует приложенная энергия активного воздействия. Однако в шахтных условиях в отсутствии замкнутой системы, метан выделенный таким образом, может частично восстанавливаться в первоначальное положение, что может привести к уменьшению интенсивности газоотдачи. Для закрепления процесса метаноотдачи могут быть применены такие вещества как ПАВ так и ХАВ. В пользу предполагаемой схемы говорят данные, полученные при активном воздействии на пласт (гидрорасчленение, физико-химические методы) предварительно обработанного через скважину с дневной поверхности.
Исследования показали, что метан может вступать во взаимодействие с молекулами угля по механизму твердых растворов. В результате этого появилась возможность создать расчетный аппарат прогноза метановыделения из угольного пласта. Для выводов о возможности молекул метана проникать (выходить) в мельчайшие поры ископаемого угля и скорости этого процесса, необходимо располагать данными о размерах всего набора пор исследуемого угольного образца.
Теория объемного заполнения микропор представляет общее термическое уравнение адсорбции:
а =/(р;Т) ;
Главной термодинамической характеристикой процесса считается дифференциальная максимальная мольная работа адсорбции А:
А =ЙГ1п-^;
Р
где: R - газовая постоянная;
Т- температура сорбции;
Р - давление;
Р0 - давление насыщенного пара при температуре Т.
Предельная величина сорбции а0 зависит от температуры и определяется термическим коэффициентом предельной сорбции а:
а0 = а°0 ехр [-а (Г- 7’0)];
где: ао - удельная величина адсорбции при температуре Т\ а°о - предельная величина адсорбции при температуре То.
Величина а может быть определена экспериментально, либо рассчитана по плотности сорбата в его критической точке и при температуре его кипения.
Итогом моделирования процесса является установление функциональной связи между параметрами пористой структуры угля и методами динамического воздействия и последующее перенесение полученных зависимостей на натуру.
© М.В. Павленко
