Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния теории и практики локального экспресс-прогноза метановыделений при разработке угольных пластов 22
1.1. Проблема обеспечения безопасности при освоении газоносных угольных месторождений и необходимость совершенствования методов прогноза динамики газовыделения и выбросоопасности 22
1.2. Современные представления о газоносности угольных пластов и горных пород с угольными включениями и их влиянии на газообильность шахт и рудников 31
1.3. Современные представления о пористой структуре угольных пластов и отбитого угля, видах движения метана в них 34
1.4. Характеристики динамики газовыделения из угля и степени его тектонической препарации 42
1.5. Изменение температуры призабойной зоны пласта и отбитого угля как характеристика динамики десорбции газа, выбросоопасности и теплообмена в горной выработке 48
1.6. Выводы по первой главе 52
1.7. Задачи исследования 56
Глава 2. Оборудование и методики проведения лабораторных и шахтных исследований 57
2.1. Методика подготовки образцов угля для исследования 57
2.2. Оборудование и методики проведения сорбционно-калориметрических экспериментов для изучения кинетики сорбции и десорбции и теплот сорбции и десорбции при атмосферном давлении 60
2.3. Методика определения теплот десорбции при высоком давлении 65
2.4. Методики экспериментальных исследований теплообмена угля с окружающей средой при наличии и отсутствии десорбции метана 67
2.5. Обоснование выбора шахт для исследований, их характеристика и методы выполнения исследований 76
2.5.1. Шахта «Перевальская» ПО «Ворошиловградуголь», Донбасе 76
2.5.2. Методика исследований при разработке пласта К3вБераль 79
2.6. Обработка результатов английских и американских опытов 84
2.6.1. Шахты Южно-Уэльского угольного бассейна, результаты исследования образцов углей с которых обработаны автором по своей методике 85
2.6.2. Шахта «Cynheidre», Южный Уэльс, Великобритания 85
2.6.3. Образцы угля из газоносных угольных пластов США 90
2.7. Выводы по второй главе 94
Глава 3. Применение диффузионного параметра т для повышения эффективности экспресс-оценки в забоях и лабораториях газокинетических свойств угля и горных пород с включениями частиц угля 95
3.1. Диффузионный параметр х - более информативная количественная характеристика газокинетических свойств угля 95
3.2. Методики определения диффузионного параметра х 108
3.2.1. Методика определения диффузионного параметра х по начальной кинетике сорбции или десорбции метана углем 109
3.2.2. Методика определения диффузионного параметра х по константам десорбции Айрея и изучение их взаимосвязи 112
3.3. Исследование влияния нарушенности на величину х и долю метана, десорбированного или сорбированного за время х 118
3.4. Исследование влияния фракционного состава угля на кинетику десорбции метана из него 126
3.5. Исследование влияния петрографического состава угля на кинетику газовыделения из него 130
3.6. Исследование влияния зольности угля на кинетику газовыделения 131
3.7. Исследование изменения величины диффузионного параметра х в вертикальном сечении выбросоопасного угольного пласта 131
3.8. Исследование возможности использования диффузионного параметра х для углей США 137
4 3.9. Применение диффузионного параметра т для описания газовыделения из угля и углесодержащих пород мелких фракций 141
3.10. Исследование возможности использования диффузионного параметра т для описания кинетики десорбции углем разных газов 145
3.11. Взаимосвязь диффузионного параметра т с другими показателями степени геологической нарушенности образцов угля 149
3.12. Использование диффузионного параметра т для определения коэффициента диффузии метана в угле 152
3.13. Изучение сорбционной емкости угля и углесодержащих пород 155
3.13.1. Задачи и методы исследования зависимости сорбционной емкости вмещающих пород от содержания в них частиц угля 155
3.13.2. Изучение зависимости сорбционной емкости вмещающих пород от содержания в них углистых частиц 156
3.13.3. Изучение взаимосвязи изменения зольности и сорбционной емкости в сечении угольного пласта по мощности 161
3.13.4. Проверка возможности использования установленных зависимостей для других угольных пластов Великобритании 162
3.13.5. Изучение зависимости сорбционной метаноемкости и этаноемкости образцов угля различных пластов от глубины разработки 165
3.14. Выводы по третьей главе 167
Глава 4. Исследование теплоты сорбции и десорбции метана углем, его температуры и динамики теплообмена 169 .
4.1. Экспериментальное исследование теплоты сорбции и десорбции метана ископаемыми углями при различных давлениях и температурах 169
4.2. Аналитическое исследование динамики распределения температуры в частицах угля при десорбции из него метана 178
4.3. Аналитическое исследование теплообмена призабойной зоны пласта при десорбции из него метана с вмещающими горными породами 185
4.4. Исследование влияния высоких давлений на теплоту сорбции метана ископаемыми углями и их пористую структуру 192
4.5. Анализ точности экспериментальных термокинетических кривых и возможностей повысить их информативность 197
4.5.1. Анализ точности экспериментальных термокинетических кривых и возможностей ее повышения при изучении угля 198
4.5.2. Сравнение результатов, получаемых замерами температуры при десорбции и на основе микрокалориметрических экспериментов 200
4.5.3. Анализ информативности замеров температуры угля в забое 202
4.6. Лабораторные исследования динамики изменения температуры угля при десорбции метана и теплообмене с окружающей средой 204
4.7. Выводы по четвертой главе 210
Глава 5. Экспериментальные исследования газовыделения и температуры угля в зонах разной нарушенности и их взаимосвязи со свойствами образцов угля 212
5.1. Методика определения тесноты связи между шахтными и лабораторными характеристиками газоносного угольного пласта 212
5.2. Исследование взаимосвязи газовыделения из шпуров и угля и их температуры в подготовительных выработках и очистных забоях 214
5.3. Исследование газовыделения в подготовительных выработках шахт Украины и Великобритании 221
5.3.1. Результаты экспериментальных исследований на шахте «Перевальская», пласт КзВ Бераль 221
5.3.2. Результаты экспериментальных исследований на шахте «Cynheidre», пласты Big Vein и Pumpquart 226
5.4. Изучение газосодержания бурового штыба по длине скважин и метанообильности очистного забоя на шахте «Cynheidre», пласт Big Vein 232
5.5. Использование диффузионного параметра т для оценки изменения сорбционно-кинетических свойств угля в вертикальных сечениях различных угольных пластов Великобритании 238
5.6. Выводы по пятой главе 241
Глава 6. Развитие методов и разработка новых технических решений и устройств для оценки метаноотдачи углей в шахтах на основе газокинетических и тепловых эффектов десорбции метана 243
6.1. Научные основы развития способов и разработки новых технических решений и устройств для экспресс-оценки в забое метаноотдачи угля на основе измерения его температуры и кинетики десорбции метана 243
6.2. Способ определения выбросоопасных зон и газоносности угольных пластов в призабойной зоне 254
6.3. Способ определения выбросоопасных зон угольного пласта 260
6.4. Комплексная оценка выбросоопасности и газоносности призабойной зоны, перспективности участка и скважин для добычи метана 263
6.5. Портативные многофункциональные устройства для отбора и экспресс-исследования в забое газоносных образцов угля и пород 266
6.5.1. Научное обоснование конструкции портативных устройств 266
6.5.2. Конструкции и основные функции разработанных, изготовленных и испытанных портативных многофункциональных устройств 271
6.6. Уточненный метод описания кинетики десорбции метана из угля до установления сорбционного равновесия 273
6.7. Методика экспресс-оценки в забое удельной поверхности и среднего размера микропористых частиц угля с их последующим уточнением 277
6.8. Комплект портативных многофункциональных устройств для быстрого замера температуры и газоотдачи угля в забое, подготовки данных и проб для дальнейшего изучения на поверхности и методика его применения 280
6.9. Выводы по шестой главе 300
Заключение 305
Список использованных источников 309
Приложения
- Современные представления о газоносности угольных пластов и горных пород с угольными включениями и их влиянии на газообильность шахт и рудников
- Оборудование и методики проведения сорбционно-калориметрических экспериментов для изучения кинетики сорбции и десорбции и теплот сорбции и десорбции при атмосферном давлении
- Методика определения диффузионного параметра х по начальной кинетике сорбции или десорбции метана углем
- Аналитическое исследование динамики распределения температуры в частицах угля при десорбции из него метана
Введение к работе
Актуальность работы. Проблема обеспечения безопасности труда в угольных шахтах России и стран СНГ приобретает все более острый характер. Интенсивная отработка угольных пластов сопровождается обильными метановыделе-ниями, нередко приводящими к загазированию забоев, причем частота и размеры аварий и катастроф достигли критического значения и наиболее значимые из них в последние годы связаны с взрывами метана с групповыми несчастными случаями. Из 89 действующих шахт России 80% отнесены к опасным по метану, из них 48% шахт наиболее метанообильны и лишь 25% шахт работают с дегазацией угольных пластов и выработанных пространств. Технико-экономические показатели работы газовых шахт на 35-50% ниже, чем негазовых в аналогичных горногеологических и горнотехнических условиях [ 1 — 5 ].
Неизбежность в настоящее время подземной разработки газоносных угольных месторождений, перспективы ухудшения горно-геологических условий и роста нагрузок определяют высокую актуальность на государственном уровне проблемы метанобезопасности [ 3 ].
Наиболее опасны по интенсивным проявлениям взрывчатых газов в уголь- , ных шахтах выработки и скважины первой очереди проходки, буровые и взрывные технологические операции в них. Основное выделение метана из пластов, газодинамические явления и большинство связанных с метаном аварий происходят в подготовительных и очистных забоях.
О сильной зависимости выбросоопасности и метанообильности от газокинетических свойств и нарушенности угля в призабойной зоне известно давно. Несмотря на то, что существуют много методов и средств, а также нормативных документов по прогнозу характера и интенсивности газовыделений в шахтах, проблема обеспечения безопасности и эффективности технологических процессов полностью не решена, в том числе из-за недостаточной надежности методов, технических средств и результатов оперативной оценки газоопасности работ в забоях, сложности прогноза характера и интенсивности газовыделения в шахтах и газокинетических свойств углей, недостаточной изученности тепловых эффектов
8 при десорбции метана ископаемыми углями, так как:
замеры в забоях газовыделения из угля известными методами неточны в связи с десорбцией неизвестного количества газа до герметизации пробы, особенно для нарушенного угля, поэтому их трудно интерпретировать и применять для прогноза выбросоопасности и метановыделения из разрабатываемого угольного пласта и отбитого угля;
для надежного прогноза надо использовать сразу несколько методов;
визуальная оценка нарушенности угля в забое известными способами требует высокой квалификации и не везде возможна, особенно при высоких скоростях проходческих, очисных и буровых работ;
традиционные лабораторные методы определения скорости сорбции и десорбции метана и микроскопической оценки нарушенности угля долги, поэтому их результаты нельзя использовать в забое для экспресс-прогноза газодинамического состояния призабойной зоны пласта и газовыделения из угля;
экспресс-оценка безопасности работ в забое по охлаждению угля при десорбции метана не стала массовой, хотя ее перспективность доказана исследованиями, из-за несовершенства методов замеров температуры и интерпретации их результатов, а также недостаточного учета теплообмена угля;
до сих пор места бурения шпуров и скважин в забоях и отбора проб угля в шахтах России, Украины, Великобритании и других угледобывающих стран остаются как правило фиксированными, а нормативные методы прогноза - дискретными. Поэтому не всегда удается применять их прежде всего в самых нарушенных местах разрабатываемых газоносных пластов, за исключением случаев отбора проб из самой нарушенной пачки, что не всегда возможно (так как положение нарушенных пачек по длине скважин перед началом буровых работ неизвестно).
Поэтому данная работа посвящена развитию этого направления и научному обоснованию и разработке новых способов и портативных устройств для повышения достоверности и возможностей экспресс-прогноза в забоях опасности труда по газовому фактору и изменений свойств угля без больших затрат и изменений технологии горных работ, что является актуальной проблемой и имеет
9 важнейшее научное, народно-хозяйственное и социальное значение.
Данная работа - продолжение и развитие исследований доктора технических наук И.Л. Эттингера и доктора технических наук, профессора Г.Д. Лидина и их научной школы. Она выполнена как составная часть исследований Института проблем комплексного освоения недр Российской академии наук по направлению «Развитие теоретических основ и методов борьбы с рудничными газами и пылью». Ряд лабораторных и шахтных исследований, испытаний в шахтах на выбро-соопасных пластах разработанных новых способов, технических решений и портативных устройств выполнены в содружестве ИПКОН АН СССР с МакНИИ и ПО «Ворошиловградуголь», в Лидском университете Великобритании (лабораторные опыты, анализ данных лабораторных и шахтных исследований ученых Великобритании, США и других стран, компании «British Coal»), в 2007-2008 годах - совместно с ООО «Звукоулавливающая аппаратура» (Донецк, Украина).
Работа выполнялась с 1978 года в Институте проблем комплексного освоения недр Российской академии наук (аспирантура, докторантура), в 1988 году - в Лидском университете Великобритании (10-месячная научная стажировка по теме «Изучение современных методов исследования тепломассообмена в пористых средах и возможности применения этих методов для расчета интенсивности мета-новыделения из угля в горные выработки»), в 1985-1991 годах — на кафедре теп-логазоснабжения и вентиляции Тульского политехнического института (ныне Тульский государственный университет) и с 1997 года — на кафедре машиноведения и безопасности жизнедеятельности Тульского государственного педагогического университета им. Л.Н. Толстого.
Цель работы - научно обоснованная разработка новых методов и портативных устройств для повышения точности, оперативности и доступности количественной экспресс-оценки в забоях динамики газовыделения из угля, его газоносности в призабойной зоне и обнаружения мест изменений других свойств угля в пласте, обеспечивающая совершенствование прогноза выбросоопасности и ме-тановыделения, повышение безопасности, эффективности и экологичности комплексного освоения метаноносных угольных месторождений.
10 Объектом исследования являются призабойные зоны угольных пластов,
отбитый уголь и буровой штыб из опасных по метану шахт.
Предмет исследования - процессы десорбции метана, изменения температуры и теплообмена угля в призабойной зоне пласта и отбитого угля.
Основная идея работы заключается в использовании газокинетических свойств угольного вещества и тепловых эффектов при десорбции метана для повышения точности и оперативности прогноза выбросоопасности, метаноотдачи и газоносности угля в призабойной зоне пласта для комплексного решения проблем эффективности и безопасности добычи угля и метана в шахтах при минимальных затратах и изменениях технологии горных работ.
Основные задачи диссертационной работы обусловлены ее целью и заключаются в следующем:
научно обосновать перспективные направления повышения эффективности использования исследований систем «ископаемый уголь — газ» и «углесодер-жащие породы — газ» для более быстрого и надежного прогноза в забое изменений свойств угля в призабойной зоне (его выбросоопасности, нарушенности, газоносности и т.д.) для обеспечения эффективности и метанобезопасности работ;
разработать количественный кинетический показатель для комплексного экспресс-прогноза в забоях потенциальной выбросоопасности структуры угля и выделения им метана по начальной кинетике его десорбции или сорбции;
экспериментально определить теплоту сорбции и десорбции метана углями разных стадий метаморфизма из выбросоопасных и невыбросоопасных зон пластов с различных глубин при разных давлениях газа и температурах;
экспериментально и аналитически исследовать динамику изменения температуры угля на поверхности и внутри кусков и в призабойной зоне при десорбции метана, влияние на нее теплообмена угля с окружающей средой;
обосновать и разработать новые технические решения, способы и конструкции портативных устройств для повышения метанобезопасности в забоях, надежности и оперативности методов прогноза изменений свойств угля в призабойной зоне, его метаноотдачи и выбросоопасности на основе учета газокинетичес-
ких и тепловых эффектов десорбции метана, не требующие больших дополнительных затрат средств, времени и труда и изменений технологии горных работ.
Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследования, включающий:
изучение кинетики сорбции и десорбции метана углем и тепловых эффектов высокоточными комплексами научного оборудования, включающими: низкотемпературный микрокалориметр Кальве с приставкой высокого давления фирмы «Setaram» и прибор «Сорбтомат» фирмы «Carlo Erba» (в ИПКОН РАН) и термостатированную сорбционную установку и модели в натуральную величину подготовительной выработки и скважины (в Лидском университете Великобритании), точность изучения которыми тепломассообмена угля, метана и воздуха автор значительно повысил за счет новых технических решений;
осмотр поверхности образцов угля из нарушенных и ненарушенных зон ряда пластов электронным сканирующим микроскопом JSM-U3 фирмы «Jeol»;
замер газовыделения из шпуров, температуры поверхностей забоев, стенок шпуров, штыба из них и десорбции метана буровым штыбом, остаточной газоносности угля и бурового штыба, концентрации метана в воздухе, температур и скоростей движения воздуха в выработках, изучение угля из выбросоопасных и невыбросоопасных зон нормативными методами с определением показателей АР и AJ и техническим анализом угля для подготовительных и очистных забоев;
аналитические исследования;
анализ и обработку по признанным в мире методикам собственных и многочисленных опубликованных данных опытов для углей и углесодержащих горных пород России, Украины, Великобритании, США и других стран.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Газокинетические и тепловые эффекты десорбции метана углем в приза-бойной зоне и буровым штыбом отражают происходящие в них механические и физико-химические процессы. Их совместный учет позволяет надежнее, быстрее и проще выявить изменения свойств угля и зоны повышенной газоотдачи пласта для выбора мероприятий по обеспечению безопасности и эффективности комп-
12 лексного освоения газоносных угольных месторождений.
Дифференциальная и интегральная теплота сорбции и десорбции метана углем на единицу количества десорбированного метана постоянна в пределах шахтопласта в зонах любой геологической нарушенности при содержании летучих веществ Vr от 9% до 30% при давлениях до 8,0 МПа, но для разных пластов одинаковых стадий метаморфизма она изменяется в широких пределах (15-28 кДж/моль), ее зависимости от V , сорбционной емкости и глубины залегания угля не обнаружено.
Величина снижения температуры угля при десорбции из него метана прямо пропорциональна количеству выделившегося метана в случаях, когда теплообменом с окружающей средой можно пренебречь. При теплообмене призабойной зоны пласта с вмещающими породами его охлаждение максимально в центральной части пласта, а в местах его контакта с породами почвы и кровли оно может быть до нескольких раз меньше за счет подвода тепла из них. Поэтому результаты измерений температуры угля в призабойной зоне и бурового штыба следует анализировать с учетом расположения мест замеров и отбора проб, теплоты десорбции метана, влажности и времени теплообмена угля с окружающей средой, скорости подвигания забоя.
Предложенный диффузионный параметр т, величина которого численно совпадает с временем десорбции постоянной доли от общего количества газа, десорбированного углем или горной породой с угольными включениями до равновесия, является информативным количественным показателем динамики десорбции метана и этана из них. Его преимущества по сравнению с известными критериями - быстрота и простота получения количественных характеристик десорбции (скорости десорбции и времени десорбции части газа, достигающей 63% от всего десорбированного до равновесия газа, и коэффициента диффузии метана в угле), которые можно одновременно использовать для прогноза метановыделения из угля в выработки и выбросоопасности.
Совместный учет кинетики десорбции метана углем по диффузионному параметру т и снижению температуры угля в призабойной зоне и бурового штыба
13 в результате десорбции повышает точность и быстроту оценки газокинетических
свойств углей в зонах любой нарушенности и является основой оперативных способов количественного экспресс-прогноза выбросоопасности призабойной зоны и метаноносности угля в ней, метаноотдачи угля в призабойной зоне и отбитого угля, перспективности участков пласта и скважин для добычи метана. В выбросо-опасных и нарушенных зонах диффузионный параметр х меньше в несколько раз, а охлаждение угля за счет десорбции метана значительно больше, чем в ненарушенных зонах пласта.
Газокинетические свойства угля по простиранию и мощности большинства пластов значительно изменяются даже на малых расстояниях. Поэтому для повышения точности прогноза выбросоопасности и метановыделения их следует определять по простиранию и мощности пласта с наибольшей частотой и быстротой, используя в забоях предложенный комплексный экспресс-метод первичной количественной оценки изменения свойств и газоотдачи свежеобнаженного угля и бурового штыба по их температуре (прежде всего очень быстро дистанционно) и величине диффузионного параметра т угля.
Угольные включения в породе имеют те же сорбционные характеристики, что и уголь из соседних пластов. Сорбционную емкость углесодержащих пород можно принимать прямо пропорциональной содержанию в них частиц угля, а диффузионный параметр т пригоден для описания кинетики десорбции метана образцами угля фракции до 60 мм и углесодержащими породами любой зольности и степени тектонической препарации. Это повышает достоверность и оперативность прогноза сорбционной метаноемкости и скорости газоотдачи углей и горных пород с угольными включениями.
Повысить надежность прогноза выбросоопасности и метаноотдачи призабойной зоны пласта и отбитого угля нормативными методами без больших затрат и изменений технологии горных работ в забоях можно за счет их применения и отбора проб угля прежде всего в местах снижения температуры угля, установленных предварительным замером температуры свежеобнаженной поверхности пласта по простиранию и мощности и бурового штыба на всех интервалах бурения, и
14 использования научно обоснованных и разработанных автором новых технических решений, способов и портативных устройств.
Научное значение работы состоит в установлении взаимосвязи величины диффузионного параметра т проб угля с температурой и газоотдачей призабойной зоны пласта и штыба, в обосновании и разработке новых технических решений, способов, методик и десорбометров нового технического уровня для совершенствования экспресс-прогноза в забое выбросоопасности и газоносности призабойной зоны пласта, газокинетических характеристик угля и динамики газовыделения из него, перспективности участков пласта и скважин для добычи метана при минимуме затрат и изменений технологии работ.
Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:
впервые экспериментально доказаны постоянство и равенство интегральной и дифференциальной теплоты сорбции и десорбции метана углем на единицу количества десорбированного углем метана из зон любой нарушенности шахто-пласта при выходе летучих веществ Vr = 9-30%, давлениях газа до 8,0 МПа и разных температурах, и необходимость определить ее экспериментально для каждого пласта, так как для разных пластов одинаковых стадий метаморфизма она бывает от 15 до 28 кДж/моль;
обоснована необходимость и возможность повысить надежность и безопасность прогноза выбросоопасности и метаноотдачи призабойной зоны пласта рядом нормативных методов за счет оптимизации выбора мест их применения в забоях и отбора проб на основе предварительного установления признаков изменений свойств угля и его большей газоотдачи, например по его более сильному охлаждению при десорбции метана, что позволит применять их прежде всего в самых нарушенных местах, так как газокинетические свойства углей в пластах изменяются даже на малом расстоянии по простиранию и мощности;
доказаны преимущества применения диффузионного параметра т по сравнению с рядом других способов оценки газокинетических свойств проб угля и бурового штыба разного петрографического и фракционного состава и горных пород с угольными включениями, особенно в дополнение к ним, и сходимость ре-
15 зультатов предложенных автором и уже известных способов;
обоснована высокая информативность и надежность комплексных способов экспресс-прогноза газоносности и выбросоопасности призабойной зоны, основанных на количественной оценке в забое газокинетических характеристик угля разных фракций и стадий метаморфизма и времени десорбции до двух третей от десорбированного до равновесия газа за счет одновременного быстрого замера температуры угля и начальной скорости десорбции;
обоснованы возможность и необходимость повысить надежность прогноза выбросоопасности и метаноотдачи призабойных зон пластов и отбитого угля нормативными шахтными и лабораторными методами и правильность интерпретации их результатов в забоях без больших затрат и изменений технологии горных работ за счет учета свойств угля в каждом пласте и тепломассообмена при десорбции метана, постоянно используя в забоях и лабораториях разработанные автором новые технические решения, способы и устройства;
обоснована необходимость и возможность создания и внедрения комплексных систем постоянного мониторинга безопасности по газовому фактору в каждом забое с применением разработанных автором новых технических решений и устройств и звукоулавливающей аппаратуры для быстрой визуальной и количественной оценки изменений свойств угля в забое, способных получать, обрабатывать и передавать информацию каждые 10 минут и даже чаще;
обоснованы и разработаны новые технические решения, способы и портативные устройства, позволяющие повысить правильность интерпретации, информативность и быстроту использования в забоях результатов измерений температуры свежеобнаженного угля и бурового штыба и динамики десорбции метана из них в целях более надежного и оперативного прогноза выбросоопасности, газовыделения из угля и его газокинетических характеристик, перспективности участков пласта и скважин для добычи метана.
Практическая значимость работы.
Установлено, что одной из причин недостаточной точности локального экспресс-прогноза выбросоопасности и метановыделений в шахтах нормативными
российскими и зарубежными методами и устройствами является их применение и отбор проб угля без предварительного быстрого поиска в забоях признаков изменений свойств угля и без учета особенностей разрабатываемых пластов и теплообмена, что снижает вероятность обнаружения ими мест повышенной газоотдачи угля. Поэтому для повышения надежности нормативных методов прогноза за счет быстрой оптимизации выбора в забоях мест их применения и отбора проб, повышения метанобезопасности и добычи угля и метана без больших затрат и изменений технологии горных работ предложены новые технические решения, способы и портативные устройства.
Разработаны способы количественной экспресс-оценки в забое газокинетических свойств и газоносности угля в призабойной зоне на основе замеров его температуры при бурении шпуров и скорости сорбции и десорбции метана (авторское свидетельство № 1096375 и патент на изобретение № 2019706), проведены их промышленные испытания на шахте «Перевальская».
Разработаны, изготовлены и испытаны в лабораторных и шахтных условиях 3 вида портативных многофункциональных устройств для отбора и экспресс-исследования проб угля, позволяющие повысить быстроту, точность и информативность их изучения в забоях и лабораториях (патенты на изобретения № 2016391, 2034157). Научно обоснованные и предложенные автором новые технические решения испытаны в 2007 году на шахте Донбасса и в 2007-2008 году использованы совместно с ООО «Звукоулавливающая аппаратура» для разработки и испытания в забоях десорбометра нового технического уровня.
Предложенные многофункциональные комплекты портативных устройств позволяют быстро обеспечить в забое предварительную визуальную оценку изменений свойств угля, метано- и выбрособезопасности работ по снижению температуры свежеобнаженной поверхности забоя и бурового штыба и по начальной десорбции метана из штыба, экспресс-прогноз газоотдачи и остаточной газоносности угля и перспективности участков и скважин для добычи метана из пластов.
Доказана возможность повысить оперативность и информативность известных методов оценки газокинетических свойств угля, основанных на замере де-
17 сорбции или сорбции газа (ДР, Айрея и т. д.), путем включения в них дополнения
об определении диффузионного параметра х по тем же данным.
Диффузионный параметр т использован для экспериментального определения коэффициентов диффузии метана в угле разной нарушенности из выбросо-опасных и невыбросоопасных зон различных газоносных пластов.
Предложенные методы, технические решения и комплекты портативных устройств для постоянного автоматизированного или ручного экспресс-контроля и прогноза изменений свойств угля в забоях и по длине скважин на основе газокинетических и тепловых эффектов десорбции метана являются одним из самых перспективных направлений повышения надежности и быстроты прогноза мета-новыделения и выбросоопасности в забое и перспективности участков и скважин для добычи метана в шахтах даже при высоких темпах работ, особенно в подготовительных выработках и при бурении, так как они наиболее быстрые и простые.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:
использованием представительных объемов экспериментальных данных (более 1000 десорбционно-кинетических опытов с образцами угля разных фрак-ций и петрографического состава с выходом летучих веществ V = 5-50 % с глубин 300-1100 метров из зон разной нарушенности и с мест газодинамических явлений; 182 высокоточных сорбционно-калориметрических опыта с углями с глу-бин 300-1100 метров при V = 9-30 %; 2134 экспериментальных кривых динамики изменения температуры на поверхности и внутри кусков угля разных размеров и форм и проб штыба при сорбции и десорбции метана и при ее отсутствии, разных перепадах температур и давлений метана и скоростях движения омывающего уголь воздуха; замеры в шахтах с отбором и изучением проб угля при проходке 11 подготовительных выработок по пластам К3В Бераль, Big Vein и Pumpquart и в З очистных забоях 3 шахт и т. д.);
достаточной для инженерных расчетов сходимостью результатов лабораторных исследований с результатами шахтных экспериментов (коэффициенты корреляции 0,62-0,87), совпадением результатов обработки опытов автора и мно-
18 гих ведущих ученых России, Великобритании и США (до 99,5%);
применением двух уникальных высокоточных экспериментальных комплексов на основе научного оборудования фирм Франции, Великобритании и Италии (низкотемпературного микрокалориметра Кальве фирмы «Setaram», сорбто-мата фирмы «Carlo Erba», лабораторного кондиционера, приборов и установок фирмы «Р.А. Hilton Ltd.» и т. д.), электронного сканирующего микроскопа JSM-U3 фирмы «Jeol» (Япония), другого научного оборудования в ведущих научных центрах России, Великобритании и Украины;
подтверждением научных положений и выводов экспериментальными данными, результатами промышленных испытаний при разработке выбросоопасных угольных пластов на различных глубинах на шахтах Украины.
Реализация результатов работы. Полученные автором научные результаты, выводы и технические решения, изготовленные и модернизированные под его руководством установки и устройства использовали ИПКОН РАН, Лидский университет Великобритании, МакНИИ, Украинский филиал ВНИМИ, ПО «Во-рошиловградуголь», ООО «Звукоулавливающая аппаратура», промышленно-ком-мерческая ассоциация «АПЕКС», АООТ «Региональный промышленно-торговый дом «АПЕКС»» и другие (имеются их заключения, письма и т. д.).
Результаты исследований используются в учебном процессе ТГПУ им. Л.Н. Толстого по дисциплинам и курсам «Теплотехника и энергетические машины», «Экологичные ресурсосберегающие технологии» и другим.
Личный вклад автора. Все основные положения, результаты и выводы получены автором лично. Ему принадлежат постановка проблемы и задач исследований, разработка методик лабораторных и аналитических исследований, выполненные им лабораторные и шахтные эксперименты, анализ и обобщение данных своих опытов и опытов российских и зарубежных ученых.
В решении отдельных задач и внедрении полученных автором результатов в научных исследованиях и при разработке газоносных угольных пластов в России и на Украине участвовали коллеги автора в ИПКОН РАН, МакНИИ, Лидском университете Великобритании, производственном объединении «Ворошиловград-
уголь» и ООО «Звукоулавливающая аппаратура» и другие. Есть совместные публикации, авторское свидетельство и 10 патентов России на изобретения, ссылки на которые приведены в диссертации.
Автор дважды участвовал в ВДНХ СССР (1980, 1981 гг.), во Всемирных салонах изобретений, научных исследований и промышленных инноваций «Брюс-сель-Эврика» (Брюссель, Бельгия, 1994, 1995 гг.), в Осенней Пловдивской ярмарке (Пловдив, Болгария, 1992 г.), в Лейпцигском инновационном форуме Центральной и Восточной Европы (Лейпциг, Германия, 1995 г.), в выставке-презентации современной техники, технологий и материалов в Торговом представительстве России во Франции (Париж, Франция, 1996 г.), во Всероссийских и межрегиональных выставках и конкурсах (1994-2007 гг.), II Тульском экономическом форуме (2007 г.). Он награжден бронзовой медалью ВДНХ СССР, 2 золотыми и 2 серебряными медалями Всемирных салонов изобретений, научных исследований и промышленных инноваций «Брюссель-Эврика», золотой медалью «Евро-Интеллект Восток-Запад», 4 раза подряд занимал призовые места в факультетском этапе ежегодного конкурса «Лучший молодой ученый Тульского политехнического института» (1983-1987 гг.), удостоен в связи с важным значением полученных им результатов исследований и разработанных устройств званий академика Международной академии лидеров бизнеса и администрации (International Academy For Leadership In Business And Administration) и лауреата тульского регионального тура Всероссийского конкурса «Инженер года — 2007» по версии «Профессиональные инженеры» в номинации «Теплотехника».
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и получили одобрение на 53 всесоюзных, всероссийских, международных, региональных и других научно-технических и научно-практических конференциях, совещаниях, семинарах с 1980 по 2008 год, в том числе в ИПКОН АН СССР, ИПКОН РАН, Лидском университете Великобритании, МакНИИ, Московском государственном горном университете (9 докладов на секциях «Недели горняка» в 2004, 2007, 2008 гг.), Тульском государственном университете, Тульском государственном педагогическом университете им. Л.Н. Толстого, на заседании Британского
20 шахтного подкомитета объединенного комитета Великобритании по проблеме внезапных выбросов угля и газа (British Colliery Sub-Committee of the British Joint Advisory Committee on Outburst of Coal and Firedamp, Ланелли, Великобритания, 1988 г.).
Изобретения и научно-технические разработки автора, сконструированные и изготовленные с их применением портативные устройства разных модификаций экспонировались на 5 международных и 15 российских выставках (1980-2002 гг.), участвовали и победили в 2 Всероссийских (1999, 2000 гг.), межрегиональном (1995 г.), областном (1998 г.) и городском (1997 г.) конкурсах, в том числе на ВДНХ СССР (Москва, 1980,1981 гг.), Международной химической выставке «Ин-хеба» (ЧССР, Братислава, 1990 г.), Осенней Пловдивской технической ярмарке (Болгария, 1992 г.), Всемирных салонах изобретений, научных исследований и промышленных инноваций «Брюссель-Эврика» (Бельгия, Брюссель, 1994, 1995 гг.), Лейпцигском Инновационном форуме Центральной и Восточной Европы (Германия, Лейпциг, 1995 г.), выставке современной техники в Торговом представительстве России во Франции (Франция, Париж, 1996 г.), выставке «Техника Российского Севера» в Государственной Думе Российской Федерации (1996 г.), Всероссийских программах-конкурсах «100 лучших товаров России». Они получили 2 золотые и 2 серебряные медали Всемирных салонов изобретений, научных исследований и промышленных инноваций «Брюссель-Эврика» (1994, 1995 гг.) и золотую медаль «Евро-Интеллект Восток-Запад» (1995 г.), первые премии на межрегиональной выставке-ярмарке конкурентоспособных проектов и разработок «Наследники Демидовых» по группе «Действующие производства и технологии» (1995 г.) и Тульском городском конкурсе к 850-летию города Тулы в разделе «Экология, природопользование и энергосбережение» (1997 г.), диплом Торгового представительства России во Франции (1996 г.), золотой и серебряный дипломы Всероссийской программы-конкурса «100 лучших товаров России» (1999, 2000 гг.) и т. д.
Маркетинговые исследования ряда изобретенных автором портативных многофункциональных устройств, выполненные под руководством нескольких
21 доцентов Тульского государственного университета и Тульского государственного педагогического университета им. Л.Н. Толстого, включая и автора, студентами этих университетов и представленные на открытые Всероссийские конкурсы научно-исследовательских работ студентов, были удостоены пяти наград открытых Всероссийских конкурсов Министерства образования и науки России: медали (2008 г.), 3 дипломов (2008, 2005, 2004 гг.) и первой премии (1996 г.).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 72 научных трудах, в том числе в 3 монографиях, 25 статьях в 12 рекомендованных ВАК изданиях, 6 статьях в 4 ведущих зарубежных горных журналах на английском языке общим объемом 88 страниц, 1 авторском свидетельстве и 10 патентах России на изобретения.
Автор выражает признательность проф., д.т.н. Г.Д. Лидину и д.т.н. И.Л. Эт-тингеру за постановку работы, искреннюю благодарность научному консультанту проф., д.т.н. Н.Г. Матвиенко, академику РАН, проф., д.т.н. К.Н. Трубецкому, академику РАН, проф., д.т.н. В.А. Чантурия, члену-корреспонденту РАН, проф., д.т.н. Д.Р. Каплунову, члену-корреспонденту РАН, проф., д.т.н. А.Д. Рубану, проф., д.т.н. В.В. Кудряшову, проф., д.т.н. А.Т. Ерыгину, проф., д.т.н. М.А. Иофи-су, проф., д.т.н. СВ. Кузнецову, проф., д.т.н. С.Д. Викторову, проф., д.т.н. Е.И. Панфилову, д.т.н. В.А. Бобину, д.т.н. В.Н. Захарову, проф., д.т.н. А.С. Воронюку, д.т.н. B.C. Забурдяеву, д.т.н. Ю.П. Галченко и другим сотрудникам ИПКОН РАН, президенту ТулГУ проф., д.т.н. Э.М. Соколову, проф., д.т.н. Н.М. Качурину, ректору ТГПУ им. Л.Н. Толстого проф., д.п.н. Н.А. Шайденко, к.т.н. В.П. Баранову, д.т.н. B.C. Маевскому, к.т.н. Д.И. Дорофееву, к.т.н. Б.М. Деглину, а также сотрудникам Лидского университета Великобритании д.ф. Дж.Р. Баркер-Риду, проф., д.ф. П.А. Янгу, проф., д.ф. П.А. Дауду и сотруднику компании «British Coal» д.ф. Д.П. Криди за ценные рекомендации и помощь при выполнении работы.
Современные представления о газоносности угольных пластов и горных пород с угольными включениями и их влиянии на газообильность шахт и рудников
Содержание метана в освоенных и разрабатываемых месторождениях достигает на действующих шахтах 150-200 миллиардов м3 в промышленных запасах угля и 100-150 миллиардов м — в тонких пластах и пропластках. В среднем на тонну добываемого в России угля выделяется 20 м метана [11].
Газоносными являются и многие крупнейшие горнорудные регионы России, освоение запасов которых определяет достигнутый в настоящее время и плани 32 руемый на длительную перспективу уровень производства в ряде важнейших горнодобывающих отраслей. Н.Г. Матвиенко показал [ 44-45 ], что при разработке таких крупных рудных месторождений, как медно-никелевых Норильского района, апатитовых Кольского полуострова, бокситов Северного Урала, медно-колче-данных Урала, полиметаллических Приморья и других происходят выделения метана, в основном из угленосных пород.
Основные запасы метана и более тяжелых газообразных углеводородов практически на всех метаноносных угольных месторождениях (кроме зон с многочисленными тектоническими нарушениями закрытого типа) сосредоточены в угольных пластах, пропластках и прослойках в виде метастабильного твердого раствора [ 16 ]. Многие авторы указывают, что в связанном состоянии находится до 80-95 % всего угольного метана [1,9, 46-48 ].
В каменных углях, залегающих на глубинах ниже зоны газового выветривания, содержится в основном метан с примесью его гомологов, азота, углекислого газа, гелия, аргона, иногда водорода и других компонентов. Содержание метана в каменных углях оценивается в 25-35 м3/ , в антрацитах — 40-45 м3/т и лишь для некоторых углей может превышать 45 м3/т [17, 44-56 ].
Н.Г. Матвиенко [ 44 ] показал на основе анализа геологического строения месторождений, при разработке которых отмечены устойчивые проявления углеводородных газов, что в составе вмещающих горных пород большинства из них есть содержащие уголь отложения от мощных угольных пластов до микровкраплений. Причем согласно [ 57 ] преобразование органических материалов в породах происходит по направлениям, сходным с метаморфизмом углематеринских веществ, а газоемкостъ пород при прочих равных условиях увеличивается с ростом содержания в них органики.
Как известно, содержание угольного вещества в горных породах может колебаться от следов, т.е. единичных микровключений, до 40-50 % и более в углистых аргиллитах. Поэтому при оценке газоносности углевмещающих пород кроме свободного следует учитывать и газ, сорбированный углистым веществом, содержащимся в породах (особенно в алевролитах и аргиллитах) в значительных коли 33 чествах в виде рассеянных и концентрированных включений. При разработке угольных месторождений аргиллиты и алевролиты в преобладающем большинстве случаев являются непосредственной кровлей и почвой пласта и при его разработке служат дополнительным источником газовыделения, так как зачастую они содержат большой объём углистого вещества, активно сорбирующего метан [ 58 ]. Степень метаморфизма угленосной толщи, включая и рассеянную органику, является важным фактором для оценки углевмещающей породы как коллектора газа [ 58 ]. В [ 59 ] сделаны предположения о том, что: - некоторое запаздывание или опережение степени углефикации рассеянных органических включений в породах по сравнению с концентрированным угольным веществом угольного пласта даже на одну стадию не вносит существенных корректив в значения метаноемкости угольных включений; - эти мало существенные различия не являются основанием для отказа от использования для пород зависимостей, установленных для углей.
В работах [ 60-62 ] приводятся данные о том, что: - с ростом глубины горных работ становится все существеннее доля газовыделения из вмещающих пород в газовом балансе очистных выработок; - недостаточно данных о газоносности вмещающих пород; - точность рекомендованного в [ 63 ] метода определения газовыделения из вмещающих пород с использованием эмпирического коэффициента Кпор недостаточна, так как фактическая газообильность участков на шахтах «Кировская», им. А.А.Скочинского и им. М. Горького ПО «Донецкуголь» больше расчетных значений на 20-30%, или на 6 - 10 м3/т; - высокая газоносность вмещающих пород с включениями угля (у песчаников на 30-37% выше, чем у алевролитов и аргиллитов) - до 7,2-11,3 м3/т.
Поэтому для прогноза газовыделения в выработки глубоких шахт и подсчета запасов газа в угольных месторождениях надо знать не только газоносность угольных пластов, но и вмещающих их пород. Газовыделение из пород сильно зависит от их сорбционных свойств, изучение которых затрудняют сложность их состава и большая индивидуальная изменчивость пород [ 64 ]. Газовьтделение из вмещающих пород на глубоких горизонтах и наличие угольных шахт, где основным источником газовыделения являются не пласты угля, а вмещающие породы, изучено недостаточно [ 65 ]. С углублением горных работ метанообильность выработок растет за счет роста газообильности угольных пластов и пропластков, вмещающих пород и рассеянных в них углистых веществ и при газоносности вмещающих пород 1 м /т и выше газовыделение из них равно 45-50% общей газообильности участка [ 66 ].
В [ 57 ] описан метод, предназначенный для косвенной оценки газоносности некондиционных угольных пластов и пропластков угля, а также пород, содержащих более 25-30 % включений концентрированного и рассеянного угольного вещества, и указывается, что приведенную номограмму можно применять лишь для ориентировочного определения метаноемкости углевмещающих пород Донецкого и других угольных бассейнов со сходными геологическими условиями.
Н.Г. Матвиенко также считает [ 44 ], что сорбционная способность горных пород изучена недостаточно в связи со сложностью и изменчивостью их состава. Таким образом, нет единой точки зрения по вопросу о возможности достаточно точного определения сорбционной метаноемкости вмещающих горных пород по величине сорбционной емкости угля в разрабатываемом пласте и доле углистых частиц в прилегающих к пласту горных породах. Поэтому нужны дополнительные исследования для более точного учета сорбционных свойств угля и уг-лесодержащих горных пород в целях повышения газовой безопасности в шахтах.
Оборудование и методики проведения сорбционно-калориметрических экспериментов для изучения кинетики сорбции и десорбции и теплот сорбции и десорбции при атмосферном давлении
Сорбционно-калориметрическая установка (рис. 2.1-2.5), использовавшаяся автором в Институте проблем комплексного освоения недр АН СССР для исследования кинетики сорбции и десорбции в системе «ископаемый уголь — метан» и происходящих при этом тепловых эффектов с определением интегральной и дифференциальной теплоты сорбции и десорбции при атмосферном и высоких давлениях, состояла из трех основных частей: 1) калориметрической, представляющей из себя низкотемпературный микрокалориметр Кальве фирмы «Сетарам» (Франция) (рис. 2.1-2.4); 2) измерительного блока высокого давления фирмы «Сетарам» (Франция), специально изготовленного во Франции как приставка к микрокалориметру Кальве на основе чертежей, разработанных при участии автора (рис. 2.2-2.3); Схемы сорбционно-калориметрических установок низкого и высокого давления: а) низкого давления; б) высокого давления; 1 - рабочая сорб-ционная капсула с углем; 2 — эталонная капсула со стеклом одинаковой фракции с исследуемым образцом угля; 3 - микрокалориметр Кальве; 4 — баллон с метаном; 5-8 — редукторы, краны; 9 — эталонная измерительная емкость. 3) сорбционной, позволяющей точно дозировать газ, впускаемый в низко температурный микрокалориметр Кальве, и одновременно определять величину сорбции метана углем (для этого использовался сорбтомат фирмы «Карло Эрба», специально модернизированный при участии автора с целью повышения его точности и обеспечения возможности многолетних лабораторных испытаний портативного измерительного элемента для разработанных автором портативных многофункциональных устройств, позволяющих эффективнее изучать уголь в забоях и лабораториях [ 179-185 ]). Этот портативный элемент для замера давления газа применяют без отказов и поломок с 1980 года до настоящего времени в ИПКОН РАН как составную часть данной сорбционно-калориметрической установки, что подтверждает его надежность и пригодность для применения и в забоях шахт.
В связи с тем, что сорбтомат фирмы «Карло Эрба» первоначально был предназначен для работы с довольно значительными (в десятки граммов) навесками угля, а при проведении экспериментов на микрокалориметре Кальве использовать такие большие навески нельзя из-за высокой чувствительности этого прибора и искажения его показаний при исследовании кинетики сорбции и десорбции одновременно с возникающими тепловыми эффектами при полном заполнении сорбционной ячейки углем в результате его малой теплопроводности, при участии автора в конструкцию этого сорбционно-калориметрического комплекса и в методики проведения экспериментов был внесен ряд усовершенствований, подробно описанных в [ 187 ]. В частности: - точность замера количества газа в системе была повышена с 1,56 см3 до 0,05 см в результате уменьшения объема системы более чем в 2 раза и установки вместо самопишущего устройства с ценой деления 10,7 гПа манометра, соединенного с двумя сильфонами, дифференциального манометра, сильфон которого был значительно меньшего размера и имел цену деления 0,6 гПа (именно этот манометр, используемый в ИПКОН РАН с 1980 года до настоящего времени, является надежной высокоточной измерительной частью сконструированных автором новых портативных устройств, позволяющих быстро повысить эффективность исследования газокинетических свойств и газоносность угля в забое [ 179-185 ]); - метан, предварительно нагретый до температуры эксперимента, подавался в систему из дозирующей камеры с поршнем, имевшей объем 17,6 см3; - применение дозирующей емкости объемом 1000 см , соединенной с сорб-ционной системой объемом около 70 см , позволило изучать кинетику сорбции и десорбции и теплоты сорбции и десорбции при давлении газа в системе в 1000 гПа в течение всего эксперимента и сравнить результаты с данными других авторов, полученными при атмосферном давлении; - при проведении экспериментов при разных температурах в сорбтомате устанавливалась с помощью контактного электротермометра такая же температура, как и в соединенном с ним низкотемпературном микрокалориметре Кальве; - сорбционные ячейки, показанные на рис. 2.2-2.3, были снабжены вакуумными кранами, что позволяло одновременно дегазировать 3 ячейки, а после этого без контакта угля с воздухом переносить их в микрокалориметр Кальве; - в рабочую ячейку микрокалориметра Кальве загружалось и дегазировалось по описанной в параграфе 2.1 методике 2,0-4,0 г угля фракции 0,5-0,25 мм, а в эталонную ячейку - такое же по объему и фракции количество стекла; - для уменьшения влияния толщины слоя угля в ячейке низкотемпературного микрокалориметра Кальве на его показания при каждом эксперименте внутрь рабочей и эталонной ячеек до загрузки в них соответственно угля и стекла помещались кверху донышком специально изготовленные одинаковые полые стаканчики из медной сетки с отверстиями 0,15 мм х 0,15 мм, имеющие наружный диаметр 12 мм (один из них показан на рис. 2.3 слева), в результате чего эти вещества принимали между внутренними стенками ячеек и наружной поверхностью стаканчиков форму полых цилиндров с толщиной стенки 1,5 мм; - после введения ячеек в микрокалориметр Кальве они находились в нем до начала эксперимента не менее 6 часов до установления теплового равновесия, причем краны на обеих ячейках при впуске метана открывались одновременно.
Методика проведения экспериментов по определению теплоты сорбции метана ископаемыми углями при давлении 0,1 МПа подробно описана в [ 187-188 ]. После подачи каждой порции метана в систему через определенные промежутки времени производилась запись показаний манометра М2 на бумажной ленте, на которой интегратор микрокалориметра Кальве печатал через установленный интервал времени (1, 10, 100 или 1000 секунд) с помощью импульсов количество тепла, выделившееся в рабочей ячейке при сорбции метана углем, и одновременно с этим строился график тепловыделения с помощью самописца, подключенного независимо по отношению к интегратору микрокалориметра Кальве.
При проведении экспериментов велся контроль за изменением атмосферного давления с помощью суточного барографа и вносилась соответствующая поправка в показания манометра М2. При каждом эксперименте до установления сорбционного равновесия были получены от 20 до 120 экспериментальных точек.
Для определения предложенного автором диффузионного параметра т необходимо иметь сорбционно-кинетическую кривую и знать сорбционную емкость угля при атмосферном давлении. Продолжительность экспериментов по изучению кинетики сорбции метана ископаемым углем была от 20 до 48 часов, что в большинстве случаев достаточно для установления сорбционного равновесия при работе с углем фракции 0,5-0,25 мм. Эксперименты прекращались не ранее чем через 4-6 часов после того, как прекращались изменение давления в системе и выделение тепла, регистрируемое интегратором микрокалориметра Кальве. Поэтому можно считать, что количество метана, сорбированное углем за все время эксперимента, равно сорбционной емкости угля при атмосферном давлении.
Методика определения диффузионного параметра х по начальной кинетике сорбции или десорбции метана углем
Автор разработал методику вычисления диффузионного параметра х [ 205-209 ], позволяющую быстро и просто определять его по углу наклона а или р прямолинейного начального участка сорбционно-кинетической или десорбционно-кинетической кривой соответственно в координатах [ t0 5, at/ao ]: x=l/tg2oc, (3.2) или x=l/tg23, (3.3), где at — количество газа, сорбированное или десорбированное к данному моменту времени; а0 — количество газа, сорбированное или десорбированное до установления сорбционного равновесия при конечном давлении газа.
Тождественность формулы (3.1) формулам (3.2) и (3.3) для углей доказана аналитически и экспериментально американскими учеными П.Л. Уокером, Л.Г. Аустином, СП. Нанди, О.П. Махайяном [ 102-103 ], применявшими диффузионный параметр, обратный предложенному автором диффузионному параметру х.
На рис. 3.6 показан пример определения параметра х для пробы угля пласта КзВ Бераль шахты «Перевальская» ПО «Ворошиловградуголь» фракции 0,5-0,25 мм, имеющего АР = 15, при сорбции метана при давлении 0,1 МПа и температуре 30С и при десорбции метана после сброса давления с 1,5 МПа при температуре 30С. В итоге получены такие результаты: при сорбции (линия 1) tg а = 0,011634, х = 3744 секунды; при десорбции (линия 2) tg Р = 0,0124, х = 6500 секунд.
Показанными на рис. 3.6 и другими опытами автора, а также обработкой автором многочисленных экспериментальных данных ряда ученых России, Великобритании и США по этой методике доказано [ 197-200, 205-209 ]: - во-первых, что величины диффузионного параметра х, полученные для сорбции и десорбции метана одним и тем же образцом, могут различаться по абсолютной величине; - во-вторых, что определение по этой методике диффузионного параметра х для угля из нарушенных и ненарушенных зон является наиболее простым, удобным и быстрым в лабораторных и шахтных условиях, так как результат можно получать за несколько минут по начальному прямолинейному участку сорбционно-кинетической или десорбционно-кинетической кривой в координатах [ t0 5, aja0 ], построив простой график, аналогичный показанному на рис. 3.6, или сразу вычисляя диффузионный параметр т по формулам (3.2) или (3.3); - в-третьих, что для экспресс-определения величины диффузионного параметра т в лабораториях и шахтах можно использовать любые сорбционные установки, включая и разработанные и испытанные автором простые индивидуальные портативные устройства нового принципа действия, которыми можно снабдить шахтеров в целях более точной, быстрой и удобной комплексной экспресс-оценки непосредственно в забоях при буровых работах выбросоопасности и газоносности призабойной зоны, газокинетических свойств угля на каждом интервале бурения и перспективности каждого участка пласта и скважин для добычи шахтного метана (а следовательно - повысить безопасность в забоях за счет простого и своевременного получения и использования указанной информации в наглядной форме без больших финансовых и трудовых затрат и изменений технологии работ); - в-четвертых, что графики кинетики сорбции или десорбции метана в координатах [ t 5, а{/ао ] сохраняют прямолинейность при сорбции или десорбции ископаемым углем различных фракций из.нарушенных и ненарушенных зон пласта до 30-35% от всего количества газа, сорбированного или десорбированного до установления сорбционного равновесия; - в-пятых, что количество газа, десорбированного до момента герметизации пробы угля в сорбционной капсуле, можно достаточно точно определять даже для образцов с наиболее высокой скоростью газоотдачи, используя как уже известные в России и за рубежом методики, так и специально разработанные автором для этого новые методики, описанные ниже.
На рис. 3.7, показывающем динамику сорбции метана образцами угля из пласта КзВ Бераль шахты «Перевальская» из ненерушенной и нарушенной зон, имеющими величины условного показателя начальной скорости газоотдачи АР = и АР = 31 соответственно, а также мезопористым углем пласта h7 шахты «Гор-няк» ПО «Селидовуголь» (имеет поверхность переходных пор от 75 до 150 м /г и поэтому пригоден для использования в качестве дешевого природного сорбента для доочистки сточных вод от нефтепродуктов), видна очень большая разница их газокинетических свойств.
Графики на рис. 3.7 также доказывают, что для количественной оценки газокинетических свойств любых углей удобнее и нагляднее использовать диффузионный параметр т, имеющий четкий физический смысл, чем безразмерный условный показатель начальной скорости газоотдачи АР.
Вышеизложенное доказывает, что используя несколько взаимодополняющих друг друга методик и предложенный автором диффузионный параметр т можно повысить быстроту и точность количественной оценки газокинетических свойств угля в забоях, информативность и практическую ценность результатов любых лабораторных и шахтных замеров кинетики сорбции или десорбции метана углем без больших затрат средств и труда и изменений технологии работ (лишь за счет простого и удобного определения в забое диффузионного параметра т для штыба предложенным автором более точным экспресс-методом вместе с показателями выбросоопасности, включенными в «Инструкцию по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа» [ 214 ]).
Поэтому ниже приводятся результаты, полученные при использовании констант десорбции Айрея to и п [ 117 ] и предложенного автором диффузионного параметра т, который можно быстро и просто определять экспресс-методом в любом забое, так как, по мнению А.Э. Петросяна [ 88 ], для изучения метанообильности горных выработок наиболее надежны методы, основанные на непосредственных наблюдениях за выделением метана в горные выработки, так как в этом случае природные факторы, суммируясь, проявляются в виде, позволяющем выражать общие закономерности в виде пригодных для инженерных расчетов формул.
Аналитическое исследование динамики распределения температуры в частицах угля при десорбции из него метана
При разработке и промышленном использовании методов оценки газодинамического состояния призабойной зоны пласта по снижению температуры свежеобнаженной поверхности забоя, стенок шпуров или бурового штыба очень важное значение для получения наиболее точных результатов имеет правильное определение интервала времени для замера их температуры, которая сильно зависит от интенсивности и длительности теплообмена угля с окружающей средой.
Как показали описанные выше самые точные из всех проводившихся в мире до настоящего времени экспериментальных исследований кинетики сорбционных и тепловых процессов в системе «ископаемый уголь - метан», что было обеспечено использованием автором двух специально созданных при его участии уникальных высокоточных автоматизированных комплексов в ИПКОН АН СССР и Лидс-ком университете Великобритании на основе научного оборудования фирм Франции, Италии и Великобритании, диффузия метана в угле является активированной. Поэтому скорость десорбции метана очень сильно зависит от температуры, а происходящее при разработке газоносных пластов охлаждение отбитого от массива угля может оказывать существенное влияние на динамику десорбции оставшегося в нем к моменту такого охлаждения метана. Но пока в большинстве известных формул, описывающих газовыделение из отбитого угля разных фракций, температура угля вообще не учитывается, а в некоторых методах ее принимают постоянной, что снижает точность получаемых таким образом результатов.
На динамику изменения температуры угля после отбойки его от массива, которую необходимо учитывать как для повышения точности прогноза метано 179 обильности горных выработок, так и для улучшения условий труда в них, влияет целый ряд факторов.
В связи с тем, что автор экспериментально изучал с помощью подключенных к компьютеру термопар динамику изменения температуры угля в разных условиях на поверхности частиц угля и в глубине этих частиц на различном расстоянии от поверхности при наличии и отсутствии сорбции и десорбции метана [189], в целях обеспечения возможности сравнения экспериментально полученных результатов с аналитическими автором совместно с доцентом кафедры прикладной математики Тульского политехнического института В.П. Барановым и дипломницей этой кафедры Г.Е. Демидовой была решена задача аналитического определения характера изменения температуры поверхности угля разных фракций, имеющего разные коэффициенты диффузии, при десорбции из него метана [ 233 ].
Была рассмотрена пористая сферическая частица угля, которая к моменту ее отделения от массива содержала метан в сорбированном и свободном состоянии и имела в любой точке постоянную температуру Т0. После отделения от массива частица попадает в среду с более низкой постоянной температурой Тс и начинает охлаждаться за счет десорбции метана (которая учитывалась использованием при расчетах величин коэффициента диффузии метана в угле D и теплоты десорбции метана углем), при этом охлаждение во всех точках ее поверхности происходит равномерно. Поэтому изотермы внутри шара представляют собой концентрические сферы, то есть температура частицы Т зависит от ее текущего радиуса г и времени т. Требуется найти распределение температуры внутри частицы и на ее поверхности в любой момент времени.
Использование формулы (4.5) позволило исследовать с помощью компьютера зависимость относительной избыточной температуры Т = (Т0 — Т)/(Т0 - Тс) на поверхности частицы (R = 1) при различных значениях критериев подобия Bi, Pd, 6М. Эта формула позволяет определить динамику изменения температуры на поверхности частиц различного фракционного состава с разными физико-механическими свойствами при наличии теплообмена с окружающей средой и десорбции ими газа, которая учитывается использованием при расчетах коэффициента диффузии метана в угле D и теплоты десорбции метана углем.
Эту формулу можно использовать для совершенствования методов оценки газодинамического состояния разрабатываемого угольного пласта, основанных на замере изменения температуры свежеобнаженной поверхности угольного пласта, бурового штыба и стенок шпуров, и для решения других практических задач при разработке газоносных угольных пластов [ 233 ], так как в результате выполнения договоров о сотрудничестве ИПКОН АН СССР с МакНИИ и ПО «Ворошилов-градуголь» при участии автора разработаны и использованы при промышленных испытаниях в выбросоопасных шахтах Донбасса методы экспериментальной экспресс-оценки величины охлаждения за счет десорбции метана свежеобнаженной поверхности угольного пласта в очистных забоях и подготовительных выработках, бурового штыба и стенок пробуренных в пласте шпуров и скважин и более достоверной интерпретации измеряемых в забоях величин температур угля [ 159-160,178,185, 194-196,234].
Некоторые результаты этих расчетов приведены на рис. 4.4-4.8. Благодаря использованию чисел и критериев подобия удалось получить решения, носящие обобщенный характер. Фиксируя критерии подобия Bi, Pd, 0М, являющиеся безразмерными комплексами, можно получить графики, определяющие бесконечное множество подобных между собой явлений.
Из рис. 4.4-4.6 следует, что с увеличением числа Фурье Fo, имеющего смысл обобщенного времени, относительная температура Т сначала возрастает от нуля до максимального значения, а затем убывает, причем при стремлении F0 к бесконечности относительная температура Т стремится к единице.
Переход к размерным параметрам, входящим в обобщенные переменные, позволил получить зависимости изменения величины перепада температур (Т0-Т) на поверхности частицы угля от времени при разных радиусах частиц (рис. 4.7) и при различных коэффициентах диффузии метана в угле (рис. 4.8).
Из графика на рис. 4.7, построенного для частиц угля диаметром 0,75 мм, 1,5 мм и 4 мм, имеющих коэффициент диффузии D = 5x10"10 м с, видно, что чем меньше фракционный состав частиц угля, тем более интенсивно происходит охлаждение их поверхности за счет десорбции и тем скорее перепад температур (Т0 - Т) достигает своей максимальной величины. Но затем этот перепад температур довольно быстро уменьшается за счет подвода тепла к охлажденной поверхности частицы из окружающей среды и от внутренних слоев частицы. Поэтому начиная с некоторого момента времени, как видно из рис. 4.7, мелкие частицы угля оказываются охлажденными на меньшую величину, чем более крупные, успевшие к этому времени десорбировать меньше метана.
Это объясняется тем, что при более интенсивном охлаждении поверхности мелких частиц угля за счет быстрой десорбции метана между этой поверхностью и окружающей средой возникает больший температурный градиент, чем между поверхностью более крупных частиц и окружающей средой, что вызывает более интенсивный подвод тепла к мелким частицам из окружающей среды.
Более крупные частицы угля, как видно из рис. 4.7, имеют меньшую величину температурного градиента, поэтому к ним подводится в начальный период десорбции меньшее количество тепла из окружающей среды. В результате этого они позже достигают максимальной величины охлаждения поверхности, которая затем уменьшается более плавно по сравнению с мелкими частицами, так как в этот период времени они оказываются дегазированными в меньшей степени и де-сорбируют большее количество метана.
