Національна академія наук України
Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова
Корнілов Максим Генадійович
УДК [622.831.325: 534.1] (043.3)
Обґрунтування параметрів вібродії на мікросорбційний простір вугілля для ефективної десорбції газу
05.15.09 –“Геотехнічна і гірнича механіка””
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дніпропетровськ-2008
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України, м. Дніпропетровськ (ІГТМ НАН України).
Науковий керівник:
доктор технічних наук, професор Мінєєв Сергій Павлович, старший науковий співробітник відділу керування динамічними проявами гірничого тиску ІГТМ НАН України, м. Дніпропетровськ.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Софійський Костянтин Костянтинович, Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України, завідувач відділу проблем розробки технологій вугільних родовищ;
кандидат технічних наук, Маслєнніков Євген Володимирович, Національний гірничий університет Міністерства освіти та науки України, старший науковий співробітник кафедри будівельних геотехнологій та геомеханіки.
Захист дисертації відбудеться “11“ квітня 2008 року о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 при Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2-а, факс (0562) 46-24-26.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України за адресою: 49005, Україна, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2-а.
Автореферат розісланий “7“ березня 2008 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
кандидат технічних наук В.Г. Шевченко
Актуальність теми. В даний час при веденні гірських робіт у складних гірничогеологічних умовах глибоких шахт проблема газодинамічної активності вугільних пластів одержала першорядне значення. Загальновідомо, що основними факторами, які визначають газодинамічну активність вугільного масиву є газ, гірський тиск, властивості вугілля та технологічний фактор. При цьому шахтний метан, з одного боку, являє собою джерело небезпеки для шахтарів при відпрацьовуванні вугільних пластів у виді реалізації газодинамічних явищ, з іншого боку – є перспективним джерелом енергії. В теперішній час розроблено цілий ряд способів зниження викидонебезпечності вугільного масиву, зокрема, одним із перспективних способів зниження газодинамічної активності та інтенсифікації газовіддачі вугільного масиву є багаточастотна вібраційна дія.
В ІГТМ НАН України розроблено нормативний вібраційний спосіб зниження газодинамічної активності вугільного пласта свердловинними віброджерелами, параметри якого були, в основному, спрямовані на тріщиноутворення та вивільнення сорбованого газу із привибійної зони виробки. При цьому установлено, що тільки близько 10 – 30% метану у вугіллі знаходиться у вільному стані в макропорах і тріщинах, а 70 –90% – в адсорбованому стані в мікро - і мезопорах, а також в абсорбованому стані, тобто, в рамках вібраційного способу необхідно здійснювати максимально можливий перехід сорбованого газу у вільний стан. Тому для вивільнення сорбованого газу з мікросорбційного простору вугільного масиву необхідно в діапазоні багаточастотної віброобробки установити додаткові параметри дії, що дозволяють здійснювати ефективну десорбцію газу.
У зв’язку з цим, обґрунтування параметрів вібраційної дії на мікросорбційний простір вугілля для ефективної десорбції газу під час ведення гірничих робіт на пластах, схильних до газодинамічної активності є актуальною науковою задачею, яка має важливе практичне значення для вуглевидобувної галузі.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Викладені в дисертації дослідження виконані відповідно до планів науково-дослідної роботи ІГТМ НАН України по темах 1.3.5 83 “Дослідити вплив вібродії на вуглепородний масив та розробити рекомендації для створення віброустановки, що інтенсифікує газовіддачу масиву” (№ державної реєстрації 0103U004310); ІІІ-13-05 “Дослідження нерезонансних та параметричних хвильових ефектів у газонасиченому вуглепородному масиві з метою використання їх для інтенсифікації десорбції газу” (№ державної реєстрації 0105U002298); „Розробити рекомендації щодо системи дистанційного керування безпечним видаленням для очисних машин і комплексів в умовах роботи на викидонебезпечних пластах” (г/д 0910202107-378), в яких здобувач прийняв участь в якості виконавця.
Мета роботи – обґрунтувати параметри вібраційного впливу для здійснення ефективної десорбції газу з мікросорбційного простору вугільного пласта.
Ідея роботи полягає у використанні особливостей конформаційного механізму деформування міжпорового простору вугільної речовини при вібродії на зміну енергетичних параметрів сорбційного зв'язку метану в мікросорбційному просторі вугілля.
Основні завдання досліджень:
1. Розробити методологію проведення досліджень впливу вібраційної дії на мікросорбційний простір вугільної речовини.
2. Розробити молекулярну модель структури мікросорбційного простору вугільної речовини.
3. Визначити енергетичні параметри і власні частоти коливань сорбованого метану в мікропорах газонасиченого вугілля.
4. Визначити параметри вібраційного впливу, що забезпечують ефективну десорбцію газу з мікросорбційного простору вугільного масиву.
Об'єкт дослідження – процеси мікроструктурної трансформації вугільної речовини та їх взаємозв’язок з параметрами ефективної десорбції метану з мікросорбційного простору вугільного пласта при вібродії.
Предмет дослідження – параметри вібродії на мікросорбційний простір газонасиченого вугільного пласта.
Методи дослідження, використані в даній роботі, містять у собі аналіз і узагальнення даних попередніх досліджень, які дозволяють розробити методологію проведення досліджень, чисельне моделювання із застосуванням методів молекулярної механіки і динаміки та методів оптимізації молекулярних структур, яке дозволило розробити молекулярну модель мікроструктури вугілля та визначити енергетичні параметри метану в мікропорах та енергії активації конформаційних переходів у міжпоровому просторі вугілля, а також методи механіки суцільного середовища, які дозволили визначити параметри вібраційної дії на мікросорбційний простір вугілля для ефективної десорбції газу.
Наукові положення, що захищаються в дисертації:
1. Сорбційний зв'язок молекул метану в мікропорі вугілля має коливальний характер, власні частоти яких визначаються, в основному, розміром мікропор, зі збільшенням діаметра яких від 12 до 22 Å, вони зменшуються з 45 до 15 ГГц згідно з експонентною залежністю.
2. Закономірності зміни мікроструктури вугілля при вібродії обумовлені конформаційними переходами в молекулярній структурі вугілля, що представляють собою перебудову вуглецевих ланцюгів аліфатичної бахроми в графітоподібних шарах вугільної речовини, які характеризуються енергією активації, яка складає 5 – 400 кДж/моль, і часом релаксації молекулярної структури вугілля, що знаходяться в показовій залежності від енергії активації.
3. Вібраційний вплив на вугільний пласт, за допомогою індуціювання релаксаційних процесів у молекулярній структурі вугільної речовини, дозволяє досягати енергетичних бар'єрів активації конформаційних переходів у структурі вугілля, за рахунок чого збільшується відстань між графітоподібними шарами, і, як наслідок, у 1,5 – 4 рази відбувається підвищення коефіцієнта твердотільної дифузії молекул метану в міжпоровому просторі вугільної речовини, що дозволяє здійснювати ефективну десорбцію газу.
Наукова новизна отриманих результатів:
Вперше встановлено властиві частоти коливань молекул метану в мікропорах вугілля різного діаметра, що дозволяють використовувати резонансні режими вібродії для ефективної десорбції молекул метану з мікропор вугілля.
Вперше виконаний розрахунок енергії активації конформаційних переходів у молекулярній структурі вугільної речовини і визначена залежність міжшарової відстані у вугіллі від цієї енергії.
Вперше встановлена залежність параметрів твердотільної дифузії молекул метану від енергії конформаційних переходів у молекулярній структурі вугільної речовини.
Вперше на основі встановлених кількісних закономірностей, що зв'язують параметри твердотільної дифузії з енергією активації конформаційних переходів, яка враховує релаксаційний процес у молекулярній структурі вугільної речовини, обґрунтовані ефективні частоти вібраційної дії, що дозволяють здійснювати ефективну десорбцію метану з мікросорбційного простору вугілля.
Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей поводження сорбованого метану в мікропорі та у твердому кістяку вугілля у взаємозв'язку з конформаційними перебудовами його молекулярної структури при вібраційній дії, що забезпечують інтенсифікацію десорбції метану з мікросорбційного простору вугільного пласта.
Практичне значення роботи полягає у наступному:
результати дисертаційної роботи використані при розробці методики гірничо-експериментальних робіт з газодинамічного розвантаження мікросорбційного вугільного пласта вібраційною дією при проведенні підготовчих виробок, яку було ухвалено Центральною комісією з питань вентиляції, дегазації та боротьби з газодинамічними явищами в шахтах вугільної промисловості України, та передано до МакНДІ;
запропоновані параметри вібродії включені як уточнення параметрів вібраційного способу в галузевий нормативний документ “Правила ведення гірничих робіт на пластах, схильних до газодинамічної активності”. -Київ. - Мінвуглепром України, 2005. -222 с.;