Введение к работе
Актуальность работы. Научно-технический прогресс в угольной промышленности нешслим без точішх и надежных методов прогнозирования гаэообильности шахт,способов управления газовнделением и утилизации метана для его промышленного использования,а также методов прогноза и предотвращения опасных газодинамических явлений.
Создание научных основ новых способов и средств прогноза и предотвращения опасных газодинамических явлений требует проведения фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований по установлению движущих сил и механизма процесса трансформации структуры угольного вещества под воздействием различного рода внешних силовых полей.
В отсутствии внешних воздействий на газоносный пласт вещество угля практически стабильно, а под влиянием горных работ его изменение происходит на двух уровнях организации: макроскопические и микроскопические изменения.
Микроскопические изменения определяют при заданных внешних условиях изменения сорбционных свойств угольного вещества.
Сорбционнне свойства углей в свою очередь характеризуют газоносность угольных пластов и позволяют рассчитывать коыгаество газа, которое может выделиться в горные выработки при внезапной выбросе.
Процесс трансформации структуры угольного вещества имеет фундаментальное значение для понимания многих сорбционных явлений и закономерностей их протекания, тагах как разрушение газонасыщенного угольного вещества при внешних воздействиях, формирование в угольном пласте зон упорядоченного разрушения, набухание углей в процессе сорбции и усадка при десорбции. Таким образом, этот процесс влияет на механические и сорбционнне свойства природных углей.
Основным фактором, сдерживающим исследования в этом направлении, является недостаточность теоретических разработок в области создания новых представлений о микропористой структуре угольного вещества,о движущих силах и закономерностях процесса трансформации его структуры в различных условиях, отсутствие адекватных
отим представлениям методологических принципов, способов и аппаратуры для экспериментального исследования сорбционных явлений и сорбционных свойств природных углей.
С другой стороны развитие исследований в направлении изучения структурно-трансформационных процессов в угольном веществе стимулируют экспериментальные факты: наличие максимума на изотермах сорбции при высоких давлениях; различие в значениях сорб-ционной емкости углей, измеренной весовым и объемным методами; аномалии сорбционной емкости в зависимости от температуры и др. Эти факты не нашли своего объяснения в рамках теории сорбции жесткого недеформируемого сорбента.
Таким образом, неадекватность существующей теории сорбционных процессов экспериментальным данным и основополагавдеее значение процесса трансформащи структуры угольного вещества при внешних воздействиях определяют актуальность исследований в области соэдания научных положений теории структурной трансформации угольного вещества под воздействием внешних силовых полей,обосновании и подтверждении её методологических принципов и реализации на их основе новых методов исследования углей, что является дальнейшим развитием перспективного направления в торной науке "Физическая химия тазоносного угольного пласта".
Диссертационная работа объединяет результаты научно-исследовательских работ, выполненных под руководством или с. непосредственным участием автора ( J& ГР 8I002007I , 81020068 и 01.86.0007017 ). .
Цель работы заключается в разработке научных положений теории структурно-трансформационных процессов при сорбционных явлениях в газонасыщенных углях,обосновании и подтверждении её методологических принципов и. реализации на их основе новых методов и способов определения сорбционных свойств природных углей,что имеет существенное значение для познания и управления опасными газодинамическими явлениями в угольных шахтах.
Идея работы состоит в использовании представлений о газонасыщенном угольном веществе как сложной полидасперсной саморегулирующейся системе,способной к адекватным изменениям своей структу-
ры и физических свойств при изменениях внешних воздействии, а также взаимосвязи макроскопических свойств углей и газодинамического состояния разрабатываемых угольнах пластов.
Задачи исследования;
дать объяснение и разработать физико-математическую модель процесса разрушения газонасыщенного угольного вещества за счет энергии межмолекулярного отталкивания молекул сорбата в микропорах природного сорбента и установить закономерности процесса трансформации его микроструктуры при изменении равновесного давления сорбирующегося газа и других видах внешних воздействий;
установить влияние процесса структурной трансформации угольного вещества при сорбционных явлениях на газоЕнделение в процессе дегазации подготовительных выработок с помощью глубинного гидрорезания угольного пласта и разработать физико-математическую модель
ж математическое описание процессов тепломассопереноса в газонасыщенном угольном веществе с учетом его микро- и' макроструктурных образований;
- разработать новые методы исследования сорбционных явлений
и способов определения сорбционных свойств природных углей, учи
тывающие закономерности трансформации макро- и микроструктуры уг
лей в процеосе равновесной сорбции при постоянной температуре.
Методы исследования.Для решения поставленных в работе задач используются:
теоретические исследования и использованием современных методов механики деформируемого твердого те.ла, механики горных пород, механики жидкостей и газов, теории подобия и размерностей, а также физико-химии сорбентов;
численные -методы обработки, и обобщения экспериментальных данных по равновесной и неравновесной сорбции газов природными углями; <
экспериментальные методы исследования сорбционных свойств природных углей.
Основные положения.выносимые на защиту: - газонасыценный уголь представляет собой полидисперсную микропо-
ристуга природную оиотему, трансформация структуры которой происходит за счет накопленной в микропористом пространстве угля потенциальной энергии мекмолекулярнсто отталкивания молекул сорбата с образованием новой микросорбционной структуры, при этом соотношение между структурным (п.) и энергетическими {" ,j3) параметрами первичной и формирующихся последующих структур не изменяется , т.е. Eijitlnc - const ;
- тип микропоры определяется характерным размером и физичес
ким состоянием сорбирующихся в ней молекул сорбата, а тип макро-
структурного образования - диффузионным параметром кинетики десорб
ции, при этом микросорбционное пространство угольного вещества
представляет собой совокупность микросорбциошшх подпространств,
заполняемых соответствующими им сорбатами, а первичным элементом
макроструктурного образования угольного вещества является сорбци-
онная частица, представляющая объемную структуру размером менее
I мкм и включающую конечное число шгкропор (порядка 10 1/г);
различие в сорбщюнной емкости углей по отношению к различным газам обусловлено тем, что большему характерному размеру молекулы сорбата соответствует больший микросорбционный объем, в котором эти молекулы находятся при заданных термодинамических условиях в сорбированном состоянии, т.е. состоянии с наибольшей возможной плотностью для заданного размера сорбирующихся молекул и соответствующего им микросорбционного подпространства;
математический аппарат процесса тепломассопереноса в угольном веществе базируется на математическом описании этого процесса в сорбциошшх частицах различных типов: I) образующих внешнюю поверхность частиц угля, 2) образующих внешнюю поверхность фильтра-ционпо-сорбционных частиц и 3) находящихся в объеме фильтрационно-сорбционных частиц, при этом дифференциальная теплота сорбции для каждого из указанных типов сорбционных частиц является постоянной величиной и составляет соответственно 30, 22 и 14 кДя/моль;
интенсивность тазсвыделения при проведении дегазации подготовительных выработок с помощью глубинного гидрорезания скважины-щели обусловлена образованием в угольном пласте зоны макроструктурного нарушения угольного пласта за счет разрушения газонасыщенного
угольного вещества и процессов деформирования разгруженных гидрорезанием подработанной и надработанной частей внутри самого угольного пласта, при этом длина этой зоны составляет для пластов Караганды порядка 2/г.( h,- мощность пласта), а ее положение от исходной линии забоя - порядка ( 4 - 5 )А
Новизна научных результатов заключается:
в обосновании роли сорбированного в микропорах угольного вещества газа как начальной движущей силы процесса трансформации структуры газонасыщенного угольного вещества,происходящего за счет высвобождения аккумулированной в микропорах потенциальной энергии отталкивания молекул сорбата,достаточной для разрыва связей между структурными элементами угольного вещества,и.как фактора существенно уменьшающего коэффициент поверхностного натяяения (2,5-4 раза) и значение трещиностойхости и прочностных свойств угля (1,6-2 раза);
в формировании нового принципа классификации пор в природном сорбенте,основу которого составляет не геометрический размер поры, а характерный размер заполняющих поры молекул сорбата, в свою оче-' редь определяющий форму нахождения молекул сорбата в порах при сорб-ционном равновесии, т.е. их физическое состояние в порах: сорбированное, квазисвободное и свободное,а,следовательно, и тип поры;
в выявлении_ причини различия в сорбционной емкости углей по отношению к различным газам,которая обусловлена тем,что при сорбции сорбата с большим характерным размером молекул ему соответствует большее количество пор угольного вещества,в которых этот сорбат может находиться при заданных термодинамических условиях в сорбированном состоянии,чем определяется и большее значение его емкости;
в расширении области использования и дальнейшей разработке математического аппарата теории объемного заполнения микропор(ТОЗМ), что позволило надежно определять структурный и энергетический параметры сорбента по любой точке изотермы сорбции,идентифицировать параметры уравнения Лентагора и Фрейндлиха с параметрами основного уравнения ТОЗМ, а также доказать,что сорбция различных газов на одном и том же угле происходит в микросорбционных подпространствах, соответствующих этил газам;
в создании модели макроструктурных образований и математиче-
ского описания процесса тепломассопереноса в.угольном веществе при неравновесной сорбции,что позволило выявить типы макроструктурных образований в угольном веществе, определить их размеры и учесть дифференциальный вклад кавдого типа макроструктурных образований в общее газовыделение ( газопоглощение ) и формирование теплового эффекта сорбции;
- в разработке научных положений теории структурной трансфор
мации таз'онасыщенного угольного вещества, в которых оно представ
лено как сложная полидисперсная саморегулирующаяся микропористая
система, способная в условиях равновесной сорбции при изменении
внешних воздействий к адекватным изменениям своей микро- и макро
структуры, физических и сорбционных свойств за счет сорбированно
го газа, а такає в обосновании и подтверждении методологических
принципов теории структурной трансформации,что является новым до
стижением в развитии перспективного направления в горной науке
"Физическая химия газоносного угольного пласта".
Достоверность научных положений подтверждается:
использованием фундаментальных положений.математической физики, механики деформируемого твердого тела,' механики жидкостей и газов, теории подобия и размерностей, а также ' физико-химии сорбентов при разработке научных положений теории структурной трансформации угольного вещества при внешних воздействиях, обоснованностью и достоверностью методов исследования и обработки экспериментальных материалов;
лабораторными экспериментами по проверке работоспособности новых предложенных способов исследования сорбционных явлений, которые показали свою эффективность по сравнению с традиционно существующими способами;
' - положительными результатами,полученными при внедрении пакета методик и методических рекомендаций,раскрывающих основные положения диссертационной работы,.в ИПКОН РАН, МакНИИ, ПО "Кара-гандауголь" и "Укрутлетеолотая".разрабатывающих новые .способы и методы исследования природных углей и их свойств.
Практическое значение работы состоит в том, что её результаты позволяют:
- обосновать необходимость и разработать комплекс новых методов исследования физических и сорбционных свойств природных углей, включающий новые метода определения сорбционной емкости углей,учитывающие изменение свободного объема сорбционной ампулы с сорбентом и его дифференцированное размещение в ампуле; метод определения сорбциояного набухания, позволяющий фиксировать сжатие сорбента в момент впуска газа, и метод визуализации процесса газовыделения (газопоглощения) сорбирующегося газа из природных углей для лабораторного моделирования газодинамических процессов в призгбойной зоне угольного пласта;
провести идентификацию зона упорядоченного.разрушения угольного пласта по газовыделению при проходке знработок с образованием Епереди забоя щели-сквэяины и обосновать-критерій выбора оптимальных параметров модифицированного варианта метода глубинного гидрорезания как элемента технологии скоростной проходки подготовительных выработок, позволяющего целенаправлено изменять газодинамическое состояние угольного пласта;
разработать методики расчета структурных, энергетических и диффузионных (кинетических и тепловых) параметров угольного вещества по экспериментальным данным соответственно о равновесной сорб-
ции и кинетике десорбции (сорбции) и термокинетике, а также методические рекомендации по снижению газообильности подготовительных забоев путем дегазации передового угольного массива скважинами, выполненными гидрорезанием пласта.
Реализация работы. Основные результаты работы,систематизированные в виде методических материалов, были использованы в МакНИИ при проведении ряда научно-исследовательских работ: "Методика расчета диффузионных параметров кинетики десорбции для ископаемых углей" - для изучения коллекторских свойств углей; "Методика расчета параметров микропористой структуры природных углей" - для оценки распределения объема микропор, занимаемого метаном и его топологами; "Методика проведения экспериментальных исследований по определению сорбционной емкости углей с помощью нового варианта объемного метода" - для оценки влияния напряженно-деформированного состояния на сорбционную емкость углей; Ав-'
торское свидетельство СССР 1.1354061 - для выявления причин различий в сорбционной емкости углей, измеренной различными способами; а также в ПО "Карагандауголъ" - "Методические рекомендации по снижению газообильности подготовительных забоев путем дегазации передового угольного массива скважинами, совмещенными с разгружающе-дегазирующими полостшлі, выполненнтш гидрорезанием пласта" - при проведении ommro-промгаіленной проверки способа гидрорезания в натурных условиях на шахтах; в ИПКОН РАН авторское свидетельство СССР $ 1086383 - для создания методов визуализации процесса десорбции метана из природных углей; монография "Сорбционные процессы в природном угле и его структура" -при чтении курса "Физические процессы горного производства".
Апробация работы. Основные положения и результаты работы .докладывались и обсуждались на У Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (г.Алма-Ата,1931 г.), на XXI и XXII конгрессе по безопасности работ в горной промышленности ( г. Сидней,Австралия, 1985 г. и г.Пекин, КНР, 1987 г.), на координационном совещании "Технология разработки угольных пластов на болкшх глубинах" (г.Стаханов, І9Є6 г.), на семинаре "Теоретические аспекти прикладной механики" (г.Краков, ПНР, 1987 г.), па Всесоюзной научной школе "Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках" (г.Симферополь, 1983,1985,1987 и 1990 гг.) , на семинарах ІЇПК0Н РАН (г.Москва, 1979,1982,1984,1989,1991 и 1992 г.г.), ШЇ (г.Москва, 1979,1984, 1989 и 1991 гг.).
Публикации.. Результаты выполненных исследований изложены в 38 печатных работах, в тем числе четырех монографиях.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 6 глав и заключение объёмом 416 страниц машинописного текста, включает 72 рис., 30 табл., список литературных источников из 116 наименований и приложение.