Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ФІЗИКИ ГІРНИЧИХ ПРОЦЕСІВ
СЛЮСАРЄВ ВЛАДИСЛАВ ВОЛОДИМИРОВИЧ
УДК 622.537.8
ОБҐРУНТУВАННЯ СПОСОБУ ВИЗНАЧЕННЯ ПОРИСТОСТІ
ВУГІЛЛЯ ДЛЯ ПРОГНОЗУ ПАРАМЕТРІВ ГАЗОВИДІЛЕННЯ
05.15.11 Фізичні процеси гірничого виробництва
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Донецьк - 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті фізики гірничих процесів НАН України
(м. Донецьк)
Науковий керівник:
доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник
Поляков Петро Іванович, провідний науковий співробітник Інституту фізики гірничих процесів НАН України
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Назимко Віктор Вікторович,
професор Донецького національного технічного університету міністерства освіти і науки України (м. Донецьк)
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник,
Гаврилов В’ячеслав Іванович, Інститут геотехнічної механіки НАН України, старший науковий співробітник відділу проблем розробки родовищ на великих глибинах (м. Дніпропетровськ)
Провідна установа:
Український державний науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки та маркшейдерської справи НАН України (м. Донецьк)
Захист відбудеться 29.12. 2003 p. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.184.02 при Інституті фізики гірничих процесів НАН України за адресою: 83114, Донецьк, вул. Рози Люксембург, 72
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики гірничих процесів НАН України за адресою: 83114, м. Донецьк, вул. Рози Люксембург, 72
Автореферат розісланий 28.11.2003 p.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, канд. техн. наук В.М. Ревва
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. При підземній розробці викопного вугілля проблеми газовиділення, набувають першочергове значення. Зростання абсолютного і відносного виділення метану у виробки шахт викликає необхідність обґрунтованого вибору ефективних заходів щодо зниження метановиділення.
Управління газовиділенням прямо залежить від метанорясності вугільних пластів. У результаті численних досліджень встановлено, що одним з важливих параметрів, що характеризують метанорясність гірничих виробок шахт і викидонебезбечність вугільних пластів, є природна метаноносність вугільних пластів, що корелює з метаноємністю вугільної речовини. Метаноємність, тобто кількість метану, що може міститися у визначених умовах у викопному вугіллі, тісно пов'язана зі структурою вугільної речовини –високопоруватого вуглецевого матеріалу.
Методи визначення максимальної газоносності вугільних пластів досить складні, трудомісткі і тривалі. Форми змісту і типи зв'язку метану у вугільній речовині, надзвичайно різноманітні, і оцінка їх, через відсутність єдиної фізичної теорії з цього питання, є дуже важливою. Тому, залучення принципово нових методів дослідження структури і властивостей викопного вугілля, таких як високі тиски, є дуже актуальним. Ці методи дозволяють досліджувати руйнування структури на мікрорівні, у тому числі і поруватої структури викопного вугілля.
Питання поруватості вугілля і зв'язаних з нею явищ має важливе практичне значення, оскільки стосується проблем газоємності і газоносності вугільних пластів, рішення яких дозволило б більш ефективно прогнозувати виділення газів у гірничі виробки і управляти ним. Прогноз газовиділення має велике значення при прогнозуванні і визначенні пожежонебезпечних і вибухонебезпечних концентрацій метану.
Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами.
Дисертаційна робота пов'язана з виконанням теми по вивченню структури і властивостей викопного вугілля в умовах високих тисків (№ДР 0100U002912), що входить у план робіт ІФГП Національної академії наук України.
Ідея роботи полягає у використанні закономірностей руйнування поруватої системи викопного вугілля для розробки нової незалежної методики визначення поруватості із метою прогнозу параметрів газовиділення.
Метою роботи є визначення параметрів поруватості викопного вугілля, що забезпечують прогноз вибухонебезпечних і пожежонебезпечних концентрацій метану в гірничих виробках.
Задачі досліджень полягали в наступному: 1) вивчити руйнування вугільної речовини в умовах, коли деформації піддаються найбільш дрібні структурні елементи; 2) одержати дані, незалежним прямим методом вимірів; про вільний обсяг пор викопного вугілля, і кількості газу, що може міститися в ньому; 3) вивчити вплив температури на процес руйнування пористості вугілля; 4) удосконалити методику визначення часу утворення небезпечних концентрацій у гірських виробках, що пройдені по пласту.
Об'єктом досліджень є газовиділення із викопного вугілля.
Предметом досліджень є пористість викопного вугілля.
Методи досліджень. Для виконання роботи були розроблені методики обтиснення викопного вугілля високим гідростатичним тиском і методики руйнування вугілля при високому нерівнокомпонентному тиску, використані методики рентгеноструктурного аналізу, оптичної мікроскопії, диференційно-термічного аналізу, а також математичний апарат фізики руйнування і термодинаміки, математична статистика.
Наукові положення, які захищаються в дисертації:
Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:
Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій, наведених у роботі, підтверджуються:
- коректністю постановки і вирішенням задачі, застосуванням кількох незалежних методів вимірювання фізико-механічних властивостей та мікроструктурних змін, що забезпечують високу точність вимірювань (похибка не більше 3 %), декількох методик впливу високим тиском;
- достатнім об’ємом виконаних експериментальних вимірювань і шахтних спостережень та задовільною збіжністю результатів випробувань розроблених методів з фактичним проявленням газовиділення у пластові виробки шахт.
Наукова значимість роботи полягає у визначенні закономірностей руйнування структури викопного вугілля під високим тиском до 2,1 ГПа, у тому числі його поруватої системи, і особливостей впливу температури на ці процеси
Практичне значення отриманих результатів полягає у розробці і впроваджені експрес-методики визначення сумарного об‘єму пор і вдосконаленні методу прогнозу часу утворення небезпечних концентрацій метану в гірничих виробках шахт.
Реалізація висновків і рекомендацій роботи.
За результатами роботи отриманий деклараційний патент на винахід 2001128887, Україна, G01N1/04, G01N7/00, № 49528А на спосіб визначення загальної пористості викопного вугілля.
Результати визначення пористості ввійшли в стандарт підприємства “Метод визначення часу утворення в гірських виробках, пройдених по пласту, небезпечних концентрацій метану й інших вуглеводнів при пожежах з обліком сорбційних властивостей вугілля” №143/1 від 1.11.2002.
Особистий внесок здобувача. Автором самостійно визначалися способи рішення поставлених задач, розроблялися експериментальні методики, проведена експериментальна і теоретична роботи, узагальнені результати досліджень, сформульовані наукові положення. Зміст дисертації викладений автором особисто.
Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи і її окремих розділів доповідалися й обговорювалися на 6й міжнародній конференції “Високі тиски-2000” Донецьк, ДонФТІ НАНУ, другій міжнародній наукової конференції “Фізичні проблеми руйнування гірських порід”, Санкт-Петербургський державний гірничий інститут ім. Г.В. Плеханова (технічний університет), Санкт-Петербург, 2000, на конференції “Уголь в 21 веке” Санкт-Петербурзький державний гірничий інститут ім. Г.В. Плеханова (технічний університет), ВСЕГЕІ, Санкт-Петербург, 2000, на симпозіумі “Неделя горняка-2001” Москва, Московський державний гірничий університет, на 10й і 11й міжнародних наукових школах імені Академіка А.С. Христиановича “Деформування матеріалів з дефектами і газодинамічні явища в гірничих виробках”, Таврійський Національний університет, Сімферополь, 2000, 2001, на семінарі відділу хімії вугілля ІНФОВ НАНУ, на семінарах ІФГП НАНУ, ученій раді ІФГП НАНУ.
Публікації. Основний текст дисертації опублікований у 17 наукових працях, у тому числі 8 у статтях в наукових спеціалізованих виданнях, одному авторському посвідченні і 4 матеріалах наукових конференцій.
Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел літератури з 169 найменувань, містить 154 сторінки, 28 рисунків, 3 таблиці, та додатки на 5 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Прогноз утворення пожежонебезпечних і вибухонебезпечних концентрацій метану в гірських виробках шахт являє собою складний комплекс заходів. Основними параметрами, що визначають час утворення небезпечної концентрації, крім характеристик самої виробки, є параметри структури вугільної речовини, величини відкритої і закритої пористості.
У розділі 1 (Загальний стан питання: газовиділення, структура викопного вугілля і порувата система) проведений аналіз сучасних уявлень про газовиділення в гірських виробках шахт, молекулярну і надмолекулярну структури викопного вугілля, його поруватість.
Рішення проблем визначення часу утворення небезпечних концентрацій метану, при газовиділенні з викопного вугілля в гірські виробки пов'язано з будовою вугільних пластів і формами вмісту газу в ньому. Показано взаємозв'язок і протиріччя між моделями будови вугілля, отриманими з інтерпретації рентгенівського розсіювання (Касаточкін, Хірш та ін.), експериментів екстрагування (Шінн), експериментів пікнометрії, сорбційних експериментів (Алєксєєв, Етінгер, Айруні та ін.), електронної мікроскопії (Оберлін, Рузо).
Завдяки дослідженням по газовиділенню з викопного вугілля, і уявлень про структуру вугільної речовини і поруватість, були обрані моделі, для експериментальних досліджень і сформульовані наступні задачі:
Для рішення поставлених задач були використані сучасні методи досліджень, що описані у розділі 2 (Методика і техніка експериментів). Для дослідження викопного вугілля під тиском, були розроблені дві методики впливу високого тиску.
Для створення гідростатичного тиску використовувався двошаровий немагнітний контейнер, що дозволяє одержати тиск до 2,1 ГПа.
Для дослідження руйнування дрібних структурних елементів викопного вугілля під високим нерівнокомпонентним тиском була розроблена і виготовлена камера високого тиску (рис.1). Основною особливістю конструкції є те, що камера працює в пружній області на всьому діапазоні тисків, що вимірюються, залежність між напругами в каналі по всіх частинах залишається постійною.
Рис. 1. Камера високого нерівнокомпонентного тиску.
Зразок викопного вугілля, попередньо зважений на аналітичних вагах, завантажувався в камеру високого тиску (4) і ущільнювався протиекструзійними кільцями (5). Тиск у камері створювався шляхом передачі зусилля гідравлічного преса через шток (3). Тиск у камері визначався як зусилля гідравлічного преса, що встановлено за манометром, віднесений до площі перетину каналу камери. Зсув поршня контролювався за допомогою індикаторів годинного типу ИЧ 10 (8) з точністю до 0,01 мм. Відносна зміна щільності матеріалу / розраховувалася як:
/ = ,
де –щільність при атмосферному тиску, г/м;
i –щільність під тиском, г/м.
Для вивчення процесів руйнування високим тиском при впливі температури на корпус камери вдягалася нагрівальна спіраль. Уся конструкція теплоізолювалася. Температура визначалася за показниками хромель-алюмелевої термопари. Регулювання температури здійснювалось за допомогою трансформатора.
Використання методики відбувалося методом розташування зразка в камері з фіксацією тиску, зсувом поршня, розігрівом камери і вивченням змін положення поршня при зміні температури.
Відносна зміна обсягу визначалася як:
V/V= (V,t0 –Vi,ti)/ V,t0,
де Vi,ti –обсяг зразка під тиском при заданій температурі, м;
V,t0 –обсяг зразка без тиску при кімнатній температурі, м.
Зміни в структурі викопного вугілля після впливу високого тиску контролювалися методами рентгеноструктурного аналізу у великих і малих кутах розсіювання, оптичною мікроскопією і диференційно-термічним аналізом.
У розділі 3 (Вплив високого гідростатичного тиску на викопне вугілля) показано, що подовжній (La) і поперечний (Lc) розміри вуглецевих пакетів, міжплощинні відстані d і міжплощинні відстані аліфатичних шарів(d) (гама смуга) з урахуванням точності рентгенографічних вимірів після обтиснення не змінилися.
Малокутове рентгенівське розсіювання показало, що як початкові, так і зразки що оброблені тиском, розсіюють у малих кутах (рис.2). При цьому виявляється фракція розміром 150 A, що значно крупніша вуглецевих пакетів.
Рис. 2. Малокутове рентгенівське розсіювання на вугіллі марки Т до (о) і після (х) обтиснення.
Після обтиснення інтенсивність розсіювання зберігається на одному рівні і розміри часток, що розсіюють, не змінюються. Це значить, що і більш великомасштабна надмолекулярна структура під впливом гідростатичного обтиснення істотно не змінюється. У зазначеній області високих гідростатичних тисків вугілля, що досліджувались, у цілому, поводяться як пружне тверде тіло.
У розділі 4 (Руйнування викопного вугілля при впливі високого квазігідростатичного нерівнокомпонентного тиску) встановлені закономірності руйнування викопного вугілля, що приведені (рис. 3) у вигляді залежностей відносної щільності пресовок порошків від тиску. Вони являють собою криві з декількома “хвилями”, форма і розташування яких трохи різні для різних типів вугілля, однак характер залежностей зберігається. На залежностях видно три стадії. Кожну стадію кривої можна екстраполювати як накладення двох лінійних ділянок, при цьому друга ділянка має менший кут нахилу. Початок нової стадії визначається в місці перетинання дотичних до кривих, де кут нахилу збільшується. Відповідне значення зусилля позначаються як граничний тиск. У діапазоні тисків, що досліджувався, на кривій виявляється три стадії: перша - від 100 до 500 МПа, друга - від 500 до 750 МПа, третя - від 750 МПа до 1,25 ГПа.
Рис. 3. Відносна зміна щільності під тиском.
Рентгеноструктурні дослідження вугілля після обробки тиском також виявили стадійне поводження, причому границі стадій відповідають даним по деформуванню. Встановлено, що на першій стадії розміри кристалітів у напрямку с (002) Lc зменшуються із зростанням тиску, у той час як розміри в напрямку а (10) La навпаки, зростають. На другій стадії розміри Lc збільшуються, а La зменшуються. На третій знову розміри Lc зменшуються, а Lа збільшуються, але розкид точок значно менший (рис.4 а, б).
Залежності параметра упорядкування Z від величини тиску (рис. 4 в) показують, що на першій стадії упорядкування зростає, на другій –спадає, на третій –майже не змінюється. Встановлено , що після зняття тиску відстань між площинами в кристалітах у межах погрішності вимірів не змінюється.
Отримані дані за середніми розмірами часток зруйнованого вугілля, носять характер параболи, де спадна область свідчить про дроблення часток, а висхідна про їхній ріст. Крім того, в області тисків близько 0,5 ГПа середньоквадратичне відхилення розмірів часток має мінімум, що свідчить про гомогенізацію порошку.
Вплив всебічного високого тиску призводить до упорядкування ламелей, підвищенню ступеня їхньої паралельності і їхнього зближення. Прицьому частина мікропор закриється і сили взаємодії між ламелями зростуть. Усе це приведе до зростання досконалості матеріалу, що виявляють рентгено- графічні дані (рис.4). При збільшенні паралельності шарів розміри кристалітів у напрямку осі с (Lc) будуть зменшуватися, а в напрямку осі а (La) зростати.
Рис. 4. Залежність від тиску параметрів Lс(002) (а), Lа(10) (б) і параметра упорядкування Z (в).
Частина пор і дефектів, що не змогла залікуватися чи вийти на поверхню кристаліта, залишиться всередині його і буде джерелом напруг, які, зростаючи в міру збільшення тиску і не маючи іншої можливості до релаксації, будуть спрацьовувати як джерело мікротріщин і призведуть до руйнування кристалітів. На користь такого механізму говорять дані (рис. 4 в), що показують спад області когерентного розсіювання на другій стадії. На третій стадії ступінь упорядкування не змінюється, однак розміри кристалітів змінюються істотно. Деформація відбувається по першому механізмі на базі поліпшеної структури.
У розділі 5 (Руйнування викопного вугілля при спільному впливі високого тиску і температури) показана роль температури та встановлені інтервали застосування механізмів руйнування. Дані досліджень вільного обсягу демонструють, кілька стадій стискальності –від кімнатної температури до 100 С, від 100 С до 180 С, і від 180 С до 270 С. Дані експериментів за зворотною методикою (рис. 5) демонструють зміну механізму деформації при граничній температурі близько 180 С. Тенденції рентгеноструктурних параметрів подібні до динаміки об`єму (рис. 6).
Рис. 5. Залежність відносної зміни об’єму від температури при фіксованому тиску 1,25 ГПа.
Параметри диференційно-термічного аналізу говорять про ряд перетворень у структурі викопного вугілля, зокрема про поводження флюїдів при низьких температурах деформування і деструкції органічної маси вугілля при температурі вище 180 С.
Рис. 6. Залежність параметра Lc від температури деформування зразків підданих тиску 1,4 ГПа.
При температурі 260о С відбувається деструкція зв'язків у бічних ланцюгах структури. Це підтверджують дані ДТА: температура напівкоксування (другий пік кривої ДТА) зменшується. Крім цього структура знаходиться в деякому активованому стані, деструкція зв'язків полегшена, збільшується втрата ваги при коксуванні. У той же час, рентгеноструктурні параметри, що характеризують упорядковану ароматичну частину, змінюються слабко. Приріст стискальності в цьому інтервалі зв'язаний зі зміною енергії активації процесу.
У розділі 6 (Метаноємність, газовиділення і прогноз небезпечних концентрацій метану) приводиться метод визначення загальної пористості викопного вугілля, заснований на даних по зміні обсягу монолітних зразків під тиском, розрахунки стану газу в пласті і метод прогнозу вибухонебезпечних і пожежонебезпечних концентрацій метану.
Удосконалення способу визначення загальної пористості викопного вугілля досягається тим, що за розміром внутрішнього каналу судини високого тиску готують циліндричний зразок вугілля, що досліджується, вимірюють чи розраховують обсяг зразка в нормальних умовах, поміщають у судину високого тиску і впливають на нього одноосьовим тиском 1,3 ГПа. Вимірюють об’єм зразка при зазначеному тиску і за різницею початкового і кінцевого об’ємів зразка визначають анігільований вільний об’єм порожнеч. За цими даними визначають вільний об’єм зразка, що виражається як відносна зміна об’єму:
*100%
де V –об’єм зразка при атмосферному тиску, м;
V –об’єм зразка при тиску 1,3 ГПа, м.
Встановлено, що приріст вільного об’єму при тиску вище 1,3 ГПа не значний і не перевищує 1-2 % (рис. 7).
Рис. 7. Зміна обсягу викопного вугілля марки КЖ (шахта “Засядько”, пласт l) під тиском
Визначення часу утворення (t, c) вибухонебезпечних і пожежонебезпечних концентрацій, що знаходяться у залежності від метаноємності джерела, кінетики десорбції газу і фізичних параметрів вугілля проводиться за такою формулою:
де S –площа перетину підготовчої виробки, м;
m –обсяг відкритих пор у вугіллі, м/т;
mз –обсяг закритих пор у вугіллі, м/т;
С –концентрація метану в атмосфері підготовчої виробки з урахуванням складу вищих вуглеводнів, %;
Q –газоносність вугілля м/т;
v –коефіцієнт розчинності метану у вугіллі (Т = 30 С –v = 0,1; Т = 300 С –v = 0,01);
D(T) –ефективний коефіцієнт дифузії метану з вугілля і газовугільного розчину, м/с.
Величина (m + mз) являє собою загальну пористість. Час утворення небезпечної концентрації метану у виробці зростає із збільшенням об’єму пор у викопному вугіллі оскільки закриті пори у викопному вугіллі, можуть складати близько 50% загального об’єму пор. Тобто, при наявності закритої пористості коли виділення газу з вугільної речовини не описується законом Дарсі, а підкоряється більш складним закономірностям час, необхідний для утворення пожежонебезпечних і вибухонебезпечних концентрацій метану істотно збільшується, і не врахування величини закритої пористості може привести до аварії.
На деякій відстані від джерела метановиділення відбувається перемішування газу, що виділився, з повітрям, і падіння загальної його концентрації. У безпосередній близькості від джерела метановиділення, небезпечна концентрація досягається швидко, протягом хвилин чи годин. При видаленні від джерела час, протягом котрого може утворюватись небезпечна концентрація збільшується за нелінійним законом і може складати кілька діб.
Запропонована методика дозволяє істотно скоротити час експериментів, знизити матеріально-технічні витрати і підвищити оперативність прогнозу при зміні фізичних властивостей пласта, що розроблюється, чи зміні гірничо-геологічних умов розробки. Очікуваний економічний ефект від впровадження результатів дисертаційної роботи може складати до 45 тис. грн. за рахунок підвищення оперативності прогнозу та підвищення безпеки праці.
ВИСНОВКИ
Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою в який подано рішення актуальної науково-технічної задачі, що полягає у дослідженні впливу високого гідростатичного тиску до 2,1 ГПа на викопне вугілля, встановленні закономірностей руйнування викопного вугілля високим нерівнокомпонентним тиском до 1,4 ГПа, встановленні впливу температури на процес руйнування, визначенні сумарного об‘єму пор у вугіллі, та розрахунку на його підставі параметрів газовиділення у гірські виробки шахт.
Основні наукові результати і висновки, одержані при виконанні роботи полягають у наступному:
9
8
поруватої системи. В цілому, викопне вугілля поводить себе під гідростатичних тиском як пружній полікристал.
Список робіт опублікованих по темі дисертації:
Складається в проектуванні апаратури [1], постановці експериментальних методик, експериментів під високим тиском, математичній обробці результатів експериментів, аналізі результатів [2-8], постановці задачі і виборі об'єктів дослідження [9-12], розробці методу визначення пористості [13, 14], визначенні кількості метану у вугіллі [15,16], аналізі параметрів газовиділення [17].
Здобувач В.В. Слюсарєв
АНОТАЦІЯ
Слюсарєв В.В. Обґрунтування способу визначення пористості вугілля для прогнозу параметрів газовиділення. –Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.11 –“Фізичні процеси гірничого виробництва”. –Інститут фізики гірничих процесів НАН України, Донецьк, 2003 р.
Дисертаційна робота містить нове комплексне рішення актуальної наукової і практичної задачі визначення загальної пористості вугілля і прогнозу часу утворення пожежонебезпечних і вибухонебезпечних концентрацій метану в пластових виробках. В результаті аналізу проблем керування газовиділенням у пластові виробки були виявлені загальні проблеми визначення пористості викопного вугілля як джерела метановиділення. Отримані дані про поводження структури і пористості викопного вугілля під високим гідростатичним тиском до 2,1 ГПа. Отримано закономірності руйнування викопного вугілля в умовах високого нерівнокомпонентного тиску до 1,4 ГПа. Показано, що руйнування вугілля в таких умовах відбувається в кілька стадій. Запропоновано модель механізму руйнування, що описує експериментальні дані. Отримані закономірності впливу температури на процеси руйнування при високому нерівнокомпонентному тиску до 1,4 ГПа. Вплив температури носить стадійний характер, впливаючи як на флюїди в поровому об’ємі, так і на аліфатичну складову структури. Показано, що закрита пористість викопного вугілля є джерелом газу, виділення з якого розтягнуто за часом, і в умовах, коли газовиділення описується дифузійними законами, час утворення небезпечних концентрацій зростає зі збільшенням пористості.
На основі отриманих закономірностей руйнування пористості розроблена експрес-методика визначення загальної пористості викопного вугілля, і удосконалений метод прогнозу часу утворення небезпечних концентрацій метану в гірничих виробках.
Ключові слова: викопне вугілля, пористість, високий тиск, руйнування, газовиділення.
АННОТАЦИЯ
Слюсарев В.В. Обоснование способа определения пористости угля для прогноза параметров газовыделения. –Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 –“Физические процессы горного производства”. –Институт физики горных процессов НАН Украины, Донецк, 2003 г.
Диссертационная работа содержит новое комплексное решение актуальной научной и практической задачи определения общей пористости угля и прогноза времени образования пожароопасных и взрывоопасных концентраций метана в пластовых выработках.
В результате анализа проблем управления газовыделением в пластовые выработки выявлены общие проблемы определения пористости ископаемого угля, как источника метановыделения. Получены данные о поведении структуры и пористости ископаемого угля под высоким гидростатическим давлением до 2,1 ГПа. Показано, что гидростатическое давление не вызывает существенных изменений в структуре ископаемого угля. Габаритные размеры и рентгеноструктурные параметры образцов после снятия давления возвращаются к исходным значениям. Идентичность картины малоуглового рентгеновского рассеяния до и после приложения давления свидетельствует о том, что не претерпевает изменений и поровая структура ископаемого угля. В целом под гидростатическим давлением уголь ведет себя как упругий поликристалл.
Получены закономерности разрушения ископаемого угля в условия высоких неравнокомпонентных давлений до 1,4 ГПа. Показано, что разрушение угля в таких условиях происходит в несколько стадий. Каждая стадия возникает при определенном пороговом давлении и характеризуется скачком сжимаемости материала и изменением рентгеноструктурных параметров ископаемого угля. Первая стадия длится от 100 до 500 МПа, вторая –от 500 до 750 МПа, третья –от 750 МПа до 1,25 ГПа. Предложена модель механизма разрушения, описывающая экспериментальные данные. До 250 МПа деформация лишь несколько ориентирует ароматические кольца параллельно друг другу. На первой стадии разрушения уменьшается параметр средней высоты среднего кристаллита и возрастает параметр средней ширины среднего кристаллита, что свидетельствует о сдвиге ароматических сеток друг относительно друга в плоскости. На второй стадии параметр средней высоты среднего кристаллита возрастает, а параметр средней ширины среднего кристаллита уменьшается, что свидетельствует об обломе выступающих частей. На третьей стадии, аналогично первой, происходит дальнейший сдвиг ароматических сеток на фоне улучшенной, упрочненной структуры.
Получены закономерности влияния температуры на процессы разрушения при высоком неравнокомпонентном давлении до 1,4 ГПа. Влияние температуры носит стадийный характер, воздействуя как на флюиды в поровом объеме, так и на алифатическую составляющую структуры. При температуре 200 С происходит изменение энергии активации процесса разрушения.
На основе полученных закономерностей разрушения пористости разработана экспресс-методика определения общей пористости ископаемого угля, и усовершенствован метод прогноза времени образования опасных концентраций метана в горных выработках.
Показано, что закрытая пористость ископаемого угля является источником газа, выделение из которого растянуто во времени, и в условиях, когда газовыделение описывается диффузионными законами, время образования опасных концентраций линейно возрастает с увеличением пористости.
Ключевые слова: ископаемый уголь, пористость, высокие давления, разрушение, газовыделение.
SUMMARY
Slyusarev V.V. The explanation of a coal porosity definition method for the parameters of outgassing forecast. - Manuscript.
The thesis submitted for a candidate of technical science degree on a speciality 05.15.11 - "Physical processes of mining". - Institute of mining processes physics NAS of Ukraine, Donetsk, 2003.
Thesis contains a new complex solution of the urgent scientific and practical problem of a coal common porosity definition and forecasting of fire hazardous and explosion-dangerous concentrations formation time of methane in underground workings.
As a result of the analysis of outgassing control problems in underground workings common problems of mineral coal porosity definition, as source of a methane emission are detected. The data about behavior of fossil coal structure and porosity under high hydrostatic pressure up to 2,1 GPa are obtained. Regularities of fossil coal destruction in conditions of high nonquecomponent pressure up to 1,4 GPa are obtained. It is shown, that the destruction of coal in such conditions descends in several stages. The model of the destruction mechanism depicting experimental data is offered. A regularity of temperature effect on processes of destruction at high nonquecomponent pressure up to 1,4 GPa are obtained. The temperature effect has stage nature, affecting both on fluids in a pore volume, and on aliphatic component of structure. It is shown, that the closed porosity of fossil coal is a source of gas, the allocation from which one is spread in time, and in conditions, when the outgassing is described by the diffusive laws, the dangerous concentrations formation time linearly increases with increase of a porosity.
On the basis of the obtained porosity destruction legitimacies the express- technique of fossil coal common porosity definition designed, and the method of the forecast of methane dangerous concentrations time formation in underground workings is advanced.
Keywords: fossil coal, porosity, high pressures, destruction, outgassing.