CC BY
36
---------------------------------------- © Т.А. Киряева, А.А. Рябцев,
М.С. Плаксин, Р.И. Родин, 2009
УДК 622.277.3; 622.278
Т.А. Киряева, А.А. Рябцев, М. С. Плаксин, Р.И. Родин
ВЛИЯНИЕ ЭНЕРГИИ РАСПАДА УГЛЕМЕТАНА НА ДЕСТРУКЦИЮ ЧАСТИЦ УГЛЯ И РАЗВИТИЕ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ УГЛЯ И ГАЗА
В публикации приводится ряд экспериментальных зависимостей о связи энергии распада углеметана в зоне ведения горных работ с деструкцией частиц угля и развитием внезапных выбросов угля и газа.
Ключевые слова: релаксация энергии, удельная поверхность, газовыделение.
гу адача управления газовыделением при подземной разработке углеметановых месторождений требует достаточно точных количественных сведений о природной газоносности пласта и формах существования метана, особенностях газоистощения пласта в зонах влияния горных работ. Поскольку процесс распада углеметана протекает с выделением энергии, то естественно ожидать реализацию ее части на деструкцию твердой компоненты пласта. Чем выше газоносность, при прочих равных условиях, тем интенсивнее газодинамическая деструкция вплоть до саморазрушения пласта в форме внезапного выброса угля и газа. В тоже время, горным опытом установлено, что при равной газоносности наиболее склонны к саморазрушению угли средней стадии метаморфизма. Чем выше энергия распада, тем выше степень измельчения отторгаемого угля. Натурными измерениями средневзвешенного диаметра частиц бурового штыба этот вывод подтверждается. Ниже приведено характерное по измерениям на ряде шахт Кузбасса распределение массовой доли измельченного угля от средневзвешенного диаметра частиц бурового штыба.
При выбуривании газоносного угля возникают условия для развития микротрещин за счет энергии газа. Отсюда, представляют интерес измерения пустотности и удельной поверхности проб углей с различными свойствами.
Исследования выполнялись ИК СО РАН путем измерения изотерм адсорбции аргона при 77К на установке СОРБИ-М в
Рис. 1. Распределение фракционного состава бурового штыба
интервале относительных концентраций 0,11-0,28. Образцы предварительно термотренировали при 100 0С в течение 2 часов в токе инертного газа. Полученные экспериментальные данные обрабатывали методом БЭТ.
Установлено, что с ростом выхода летучих веществ количество сорбированного газа увеличивается. Но для бурых и длиннопламенных углей зависимость сорбционной способности по отношению к газам имеет двойственный характер. При поглощении метана бурыми углями наряду с природной активацией имеют место процессы абсорбционные, поскольку "скелет" вещества бурых углей является менее жестким, чем у каменных углей.В результате общая газоемкость бурых углей довольно высока по сравнению с малометаморфизованными каменными углями. По мере метамор-физации ископаемых углей жесткость скелета угольного вещества возрастает, следовательно, способность углей к абсорбции уменьшается [1].
И хотя площадь удельной поверхности пор углей уменьшается, но у проб с большим выходом летучих (около 43%), по-видимому, есть сильные энергетические центры на поверхности, которые приводят к существенному возрастанию энергетики ее взаимодействия с адсорбатом. Результаты обработки сравнительным методом также свидетельствуют о разрыхленном
|_
ем
2
5
со
2
1
0
0 50 100 Е,кДж/кг 200
Рис. 2. Влияние показателя энергии при распаде углеметана на удельную поверхность проб углей
монослое, причем для образцов с выходом летучих веществ 37 % он больше, чем для 20%.
Полученные результаты исследования позволяют оценить следствия распада углеметана, приводящие к деструкции угля. В [2] установлено изменение показателя энергии полураспада углеметана от выхода летучих веществ. При выходе летучих веществ в районе 22% - энергия связи уголь-метан минимальна. Минимизация этого показателя указывает на возможность роста, при прочих равных условиях, скорости десорбции метана, что согласуется с известными методами прогноза выбросоопасности по начальной скорости десорбции и газовыделения.
Были исследованы пробы углей с различным выходом летучих веществ от 18 до 43% взятые на 5 шахтопластах Кузбасса и получены зависимости удельной поверхности проб углей от показателя энергии полураспада углеметана (рис. 2).
Близкая связь с показателем энергии полураспада углеметана имеет место и в изменении силы внезапных выбросов угля и газа (ВВУГ). Для этого вывода, были собраны статистические данные шахт Карагандинского, Кузнецкого и Печерского бассейнов о заре-
•
•
•
! .
гистрированных в период с 1943 г. по настоящее время 197 случаях внезапных выбросов [3, 4].
• Карагандинский бассейн ▲ Кузнецкий и Печерский бассейны
------Карагандинский бассейн -----Кузнецкий и Печерский бассейны
Рис. 3. Влияние показателя энергии при распаде углеметана в зоне выброса на силу выброса угля и метана
Из этой выборки исключены выбросы силой менее 20 т, т.к. эти газопроявления по их механизму принято относить к слабым газодинамическим явлениям. Оставшиеся 114 случаев распределены по группам с градацией по показателю энергии полураспада углеметана через 10 кДж/кг. В каждой группе определена средняя сила выброса. Результаты представлены на рис. 3.
Таким образом, изменение величины внутренней удельной поверхности частиц угля (деструкция) и интенсивность саморазрушения пласта имеют близкий физический механизм реализации газовой компоненты геоматериала.
-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Эттингер И.Л. Свойства углей, влияющие на безопасность труда в шахтах. - М.: Госгортехиздат, 1961. - 95 с.
2. Оценка газодинамической активности пластов с учетом данных газового опробования / Г.Я. Полевщиков, Т.А. Киряева, А.А. Рябцев, М.С. Плаксин // Горный информационно-аналитический бюллетень. Тематическое приложение МЕТАН. 2007. С.4-10
3. Бирюков Ю.М., Ходжаев Р.Р., Карев Н.А. Каталог внезапныз выбросов угля и газа (Карагандинский угольный бассейн). - Калининград: КГТУ, 2006, 158с.
4. Систематизированные данные по внезапным выбросам угля и газа на шахтах восточных и северных месторождений страны. - Кемерово, 1974. - 428 с.
Kiryaeva T.A., Ryabcev A.A., Plaksin M.S., Rodin R.I.
INFLUENCE OF DISINTEGRATION ENERGY OF COAL-METHANE ON DESTRUCTION OF COAL PARTICLES AND DEVELOPMENT OF SUDDEN OUTBURSTS OF COAL AND GAZ
In publication a number of experimental dependences on communication of disintegration energy of coal-methane at a zone of conducting mining operations with destruction of coal particles and development of sudden outbursts of coal and gas are resulted.
Key words: energy relaxation, specific surface, gas emission.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------
Киряева Татьяна Анатольевна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник. Учреждение Российской академии наук Институт угля и углехимии СО РАН. E-mail: kiryaevata@icc.kemsc.ru Плаксин Максим Сергеевич - младший научный сотрудник. Учреждение Российской академии наук Институт угля и углехимии СО РАН. Email: gas_coal@icc.kemsc.ru
Рябцев Андрей Александрович - ведущий инженер. Учреждение Российской академии наук Институт угля и углехимии СО РАН. E-mail: gas_coal@icc.kemsc.ru
Родин Роман Иванович - инженер. Учреждение Российской академии наук Институт угля и углехимии СО РАН. E-mail: gas_coal@icc.kemsc.ru
