автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Теория структурно-трансформационных процессов при сорбционных явлениях в природных газонасыщенных углях

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК. ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ НЕДР

На правах рукописи

БОБИН ВЯЧЕСЛАВ АЛЕКСАНДРОШЧ

ТЕОРИЯ СТРУКТУтаО-ТРАНСФОРШЩОННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СОРБЦИОННЫХ ЯВЛЕНИЯХ В ПРИРОДНЫХ ГАЗОНАСЫЩЕННЫХ УГЛЯХ

Специальность: 05.15.11 - "Физические процессы

горного производства"

Автореферат диссертации па соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-1992

Работа выполнена в Институте проблем комплексного освоения недр РАН.

Официальные оппоненты:

доктор фи8ико-математических наук, профессор В.Н.Родионов

доктор технических наук, профессор - С.А.Ярунин

доктор химических наук В.В.Сергагаский

Ведущая организация - Институт торного дела

имени А.Л.Скочинского

1993 г. в

Защита состоится 1993 г. в /.т. часов на

заседании специализированного совета Д 003.20.01 в Институте проблем комплексного освоения недр РАН по адресу: 111020 г.Москва Е-20, Крюковский туп. 4.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " " ............. 1992 г.

УченыД секретарь специализированного

совета, кандидат технических наук Г.И.Богданов

ОБЩАЯ ХАРА) 'Л К И1СТИКА РАБОТН

Актуальность работы. Научно-технический прогресс в угольной промыяленности немыслим без точных и нядеотнх методов прогнозирования гаэообильности шахт,способов управления газовыделением и утилизации метана для его промышленного использования,« 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 комчество 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

8тим представлениям методологических принципов, способов и аппаратуры для экспериментального исследования сорбционннх явлений и сорбционннх 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 сорбционннх процессов экспериментальным данным и основополагавдеее значение процесса трансформации 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 ( Л ГР 810020071 , 81020068 и 01.86.0007017 ). .

Цель работы заключается в разработке научных положений теории структурно-трансформационных процессов при сорбционннх явлениях в газонасыщенных углях,обосновании и подтверждении её методологических принципов и.реализации на их основе новых методов и способов определения сорбциошшх 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 полидисперсной саморегулирующейся системе,способной к адекватным изменениям своей структу-

ры и физических свойств при изменениях внешних воздействий, а также взаимосвязи макроскопических свойств углей и газодинамического состояния разрабатываемых угольных 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 газоБнделение в процессе дегазации подготовительных выработок с помощью глубинного гидрорезания угольного пласта и разработать физико-математическую модель

и математическое описание процессов тепломассопереноса в газонасы-щениом угольном веществе с учетом его микро- и' макроструктурных образований;

- разработать новые методы исследования сорбционных явлений и способов определения сорбционных свойств природных углей, учитывающие закономерности трансформации макро- и микроструктуры углей 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 эксперименталыгах данных по равновесной ж неравновесной сорбции газов природными углями; <

- экспериментальные методы исследования сорбционных свойств природных углей.

Основные положения.выносимые на защиту: - газонасыценный уголь представляет собой полидисперснув микропо-

ристую природную систему, трансформация структуры которой происходит за счет накопленной а микропористом пространстве угля потенциальной энергии межмолекулярного отталкивания молекул сорбата с образованием новой микросорбционной структуры, при этом соотношение между структурным (л. ) и энергетическими (£" ,jS) параметрами первичной и формирующихся последующих структур не изменяется , т.е. Eiflt} п-г - const ;

- тип микропоры определяется характерным размером и физическим состоянием сорбирующихся в ней молекул сорбата, а тип макро-структурного образования - диффузионным параметром кинетики десорбции, при этом микросорбционное пространство угольного вещества представляет собой совокупность минросорбционных 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 микропор (порядка 10 1/г);

- различие в сорбцнонной 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 кДж/моль;

- интенсивность тазовыделения 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/е-С И, - мощность пласта), а ее положение от исходной линии забоя - порядка (4—5

Новизна научных результатов заключается:

- в обосновании рож 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 Быявлении_ причины 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 параметрам основного уравнения ТОЗМ, а также доказать,что сорбция различных газов на одном и том же угле происходит в микросорбционных подпространствах, соответствующих этим газам;

- в создании модели макроструктурных образований и математиче-

ского описания процесса тепломассопереноса в.угольном веществе при неравновесной сорбцки.что позволило выявить типы макроструктурных образований в угольном веществе, определить их размеры и учесть дафферекциальннй вклад каадого типа макроструктурных образований в общее газовыделение ( газопоглощение ) и формирование теплового эффекта сорбции;

- в разработке научных положений теории структурной трансформации таз'онасыщенного угольного вещества, в которых оно представлено как сложная полидисперсная саморегулирующаяся микропористая система, способная в условиях равновесной сорбции при изменении внешних воздействий к адекватным изменениям своей микро- и макроструктуры, физических и сорбционных свойств за счет сорбированного газа, а также в обосновании и подтверждении методологических принципов теории структурной трансформации,что является новым достижением 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,раскрыващих основные положения диссертационной работы, , в ИПКОН РАН, МакНИИ, ПО "Кара-гандауголь" и "Укруглетеологня".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 скатке сорбента в момент впуска газа, и метод визуализации процесса газовыделения (газопоглощения) сорбирующегося газа из природных углей для лабораторного моделирования газодинамических процессов в призабойной зоне угольного пласта;

- провести идентификацию зоны упорядоченного.разрушения угольного пласта по газовыделению при проходке выработок с образованием Епереди забоя щели-сквэяины и обосновать-критерий 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 кбллекторских 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 сорбционну® 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 полостями, выполненными гидрорезанием пласта" - при проведении опытно-промышленной 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,1981 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 больших глубинах" (г.Стаханов, 1986 г.), на семинаре "Теоретические аспекты 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" (Т.Симферополь, 1983,1985,1987 и 1990 гг.) , на семинарах КПКОН РАН (г.Москва, 1979,1982,1984,1989,1991 и 1992 Г.Г.), (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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Разработке вопросов, связанных с выявлением особенностей угольных пластов в качестве коллекторов метана, и изучению физи-

ко-химического состояния природной системы уголь-газ для прогнозирования и управления метаповыделением и.предупреждения внезапных выбросов угля я газа в шахтах посвящены основополагающие труды А. Т. Айруни, М. И. Болызинского, В. Г. Гм минского, Б. !Д. Зшаковз, Р.М.Кривицкой, С.В.Кузнецова, Г.Д.Лидина, А.М.Лияькова, Ю.А..Силаева, Н.Г.Матвиенко, С.В.Мучника, Э.Ш.Ортенбэрг, 3.?.Пальвелева, Ю.С.Премнсмер, Н.М.Проскурякова, С.З.Рогянского, П.А.Ребин-дзра, И.Б.Сергеева, А.А.Скочинского, В.В.Ходота, С.А.Хрпстиано-внча, Г.Я.Фейга, О.И.Чернова, Н.В.ЗДулькан, И.Л.Эттянгера, М.Ф. Яновской, С.А.Друнина и многих других.

В этих трудах отражены основные представления о процессах, происходящих з газоносных угольных пластах, а такие разработана теоретическая и экспериментальная основа для решения вопросов газоносности угольных пластов, газообкльности шахт, каптажа метана с целью его промышленного использования и борьбы с внезапными выбросам угля и газа.

Большой объем исследований, направленных на изучение закономерностей сорбцконных процессов в природных и искусственных сорбентах, проведен в СССР С.Г.Ароновам, Б.П.Берингом, А.М.Волочком, Б.В.Дерягиннм, У.. М. Дубининым, Е.Д.Завериной, Я.Б.Зельдовичем, П.П. Золотаревым, Б.Н.Касаточкинвм, А. В. Киселевым, Л.А. Нестеренко, Л.В.Радушкевичем, В.В.Серпиясккм, Д.П.Тимофеевым, А.М.Толмачевым и др., а за рубежом Р.Борром, Я.Дз Буро:,:, С.Бру-науэром, Д.Вая Кревеленом, Р.Гивеном, С.Грегок, Р.Нквелом, К.Снятом, Е.Теллером, А.А.Тагером, П.Уолкером,П.Эмметом и др.

В трудах перечисленных,авторов, многие из которых стали, классическими, были заложены теоретические концепции сорбции на дисперсиях, пористых и микропористых материалах, что позволило раскрыть специфические особенности сорбцпонннх явлений и их связь со структурой поверхности сорбентов и разработать рекомендации по использованию сорбентов во многих отраслях народного хозяйства.

Шесте с тем, несмотря на широкий круг проблем, ресеемых с помощью изученных физических и сорбцпонннх .свойств прпродной системы уголь-тлетан, исследование процесса трансформации структуры угольного вещества имеет фундаментальное значение для пони-

мания многих сорбционных явлений и закономерностей их протекания. Это обусловлено неадекватностью существующей теории сорбции не-деформируемого сорбента накопившимся , аномальным в рамках этой теории, экспериментальным фактам и данным. Отсутствие научных положений теории структурной трансформации'угольного вещества при сорбционных явлениях затрудняет дальнейшее развитие новых способов и средств прогноза и предотвращения этого газодинамического явления.

В первой главе представлены исследования, направленные на изучение особенностей процесса равновесной изотермической сорбции различных газов природными углями.

Результаты проведенных исследований можно объединить в две взаимно связанные группы.

Первая группа представляет собой результаты исследований в области дальнейшего развития и применения теории объемного заполнения микропор (ТОЗМ) для микропористых сорбентов,и, в частности , для природных углей.

Основное уравнение ТОЗМ имеет вид:

а0ехр[~(А/£)п] . (I)

где Q. - величина сорбции, соответствующая определенному давлению насыщения ; 0-0 - предельная величина сорбции; А - дифференциальная мольная работа;' £ - характеристическая энергия, равная дифференциальной мольной работе сорбции в характеристической точке изотермы, где Л = 0,358 ла ; /Ь - структурный параметр сорбента.

Вопроо о связи между п. и £ в ТОЗМ до настоящего времени был.недостаточно обоснован с физической точки зрения и отражал только отдельные экспериментальные факты о приблизительном постоянстве их отношения.

В диссертации доказано, что структурный параметр надежно определяется в любой точке изотермы. Анализ предельных случаев заполнения сорбента сорбирующимся газом позволил получить аналитическую зависимость между значением характерного размера микропоры ( d ), структурным параметром ( п. ) и размером молекулы сор-бата ( V ), которая имеет вид:

'/3 //3

и = г^/п-и) /цпч-1) .- /7 (2)

и позволяет количественно описывать изменение размера гаткропор в зависимости от изменения структурного параметра.

В свою очередь теоретический анализ уравнения ТОЗМ при степенях заполнения сорбента сорбатом, соответствующих условии А с* Е, позволил впервые установить аналитическую связь между энергетическим и структурным параметрами сорбента, которая имеет вид: е/п = ит/р , (з) где А - газовая постоянная, уЗ - константа системы "уголь-газ".

Таким образом, соотношение (3) показывает, что отношение этих параметров не является постоянной величиной , а зависит как от свойств сорбата и сорбента через параметр \р> , так и от внешних термодинамических (Т- температура) условий сорбции.

Кроме того, математически доказана эквивалентность изотермы сорбции в виде «равнения ТСШ уравнению изотермы сорбции в форме Фрейндлиха при всех степенях заполнения сорбента сорбатом, а при степенях заполнения ( б = О./а0) меньше 0,1 - уравнению Генри.

Не меньшую значимость имеет и уравнение изотермической равновесной сорбции в безразмерном виде: ^

а = 3 ехр/л-0/р/рх) , (4)

где О. - степень заполнения сорбента сорбатом; ^ - число микропор в единице объема угля (1/м3) ; р - текущее равновесное давление; рд - аналог давления насыщенного пара (параметры £ <£3, _)3 , П. , р/ря - безразмерные). Уравнение (4) получено в результате анализа всей системы параметров, определяющих процесс сорбции, с точки зрения метода теории подобия и размерностей. Срг.внение безразмерных параметров подобия показывает, что сорбция различных газов на одном и том же угле происходит в микросорбционных подпространствах, соответствующих этим газам.

Вторая группа результатов расширяет представления и достижения в области структуры микросорбционного пространства угольного вещества. Они получены на основе обработки эксперименталь-

ных данных по равновесной изотермической сорбции Н9 , Л/ 0 , А £ ,

V/» . £ £

- _ ___ „______ _ = 4 * 32% и показывают,что угольное вещество является полидисперсной микропористой средой,причем максимум распределения числа микропор соответствует микропорам , составляющим микросорбционное подпространство метана ( рисЛ ).

При этом сформулированы основные физические принципы классификации пор в природном сорбенте, в основе которой впервые, в от-личиии от общепризнанной классификации, лежит критерий, учитывающий возможное фазовое состояние поглощенного в порах газа, а не их геометрические размеры. В предложенной классификации поры подразделены на пять групп: 1)микропоры; 2)субмикропоры; 3).мезопоры; 4)макропоры; 5)супермакропоры. В частности, микропора - это такой элементарный объем сорбцконного пространства, в котором поглощаемый газ находится только в сорбированном состоянии.

Отсюда следует важный для понимания причин различия в-сорб-ционной емкости углей вывод о .том, что чем больше размер молекулы поглощаемого газа, тем больше количество микропор, в которых эти молекулы будут находиться в сорбированном состоянии, т.е. в состоянии, когда его плотность будет максимально возможной, и тем больше сорбционная емкость сорбента по отношению к этому сорбату.

Исследования, представленные во второй главе, раскрывают внутреннюю причину: трансформации микроструктуры газонасыщенного угольного вещества.

Вещество угля на молекулярном уровне состоит из двух взаимосвязанных' частей: I) ядер (кристаллитов), обладающих структурой графита; 2) боковой бахромы, состоящей.из кислородосодерка-щих групп, играющих роль перемычек и связывающих первичные элементы между собой, а кристаллиты придают жесткость и скрепляют всю систему. Несовершенная упаковка кристаллитов и образованных ими молекулярных слоев приводит,к микропористости.

Находясь в микропорах, молекулы сорбата взаимодействуют между собой, и при их плотной упаковке в микропорах это молекулярное взаимодействие является взаимодействием отталкивания.

При изменении силового состояния структурных элементов

угольного вещества часть энертии межмолекулярного отталкивания молекул сорбата может .передаваться угольному скелету, а при его разгрузке от внешних сил вызвать дополнительное растяжение, к тем caí,игл, обеспечить локальное разрушение угольного вещества. Энергетический критерий разрыва связей между структурными элементами угольного вещества имеет вид:

где //- число молекул сорбата в микропоре; £ - глубина минимума потенциала Леннарда-Джонса(кДг/моль),соответствующего С",

где я С - константы этого потенциала ((Усн^=330, (У СОг=449 пм), расстояние между центрами молекул; /1сГ - число структурных связей ( Пст= 16-40 ); Ева, Ен и Е м - соответственно энергии диссоциации вандерваальсовых, водородных и межатомных связей ( Ев&= 8 , Ен - 28 и Ем = 280 кДк/моль).

Расчеты по соотношениям (5) показывают, что энергия межмолекулярного отталкивания молекул сорбата, аккумулированная в микропорах, соизмерит»® с энертией разрыва вандерваальсовых и водородных связей между структурными элементами . Очевидно, что взаимодействие отталкивания молекул сорбата и угольного вещества может не только усилить эффект разрушения угля, но и является начальной движущей силой этото процесса, обладая определенной упругостью, ранее не учитываемой исследователями при анализе сис-

Вследствие очень высокой концентрации микропор, насыщенных сорбированным газом, процессы разрушения структурных связей на уровне микропор влияют на характеристики разрушения угля на макроуровне. Так, например, за счет влияния сорбированного в микропорах угольного вещества газа существенно уменьшается коэйициент поверхностного натяжения С в 2,5 - 4 раза ),а, следовательно, в 1,6-2 раза уменьшаются значение трещиностойкости и прочностные свойства угля, что следует.учитывать в связи с исследованием условий подготовки внезапных выбросов угля и газа.

Сорбированный в микропорах газ влияет не только на характе-

¿Né[(l?/ñMf-(G'//iMf] > £

(5)

теш ras-природный сорбент.

ристики разрушения угля, но и на формирование в яег; новых микропористых сорбционных структур. Свидетельством этого процесса, происходящего в угольном веществе, является изменчивость структурного параметра П- в зависимости от величины равновесного давления насыщения при изотермической сорбции (рис.2). Анализ экспериментальных данных по равновесной сорбции метана, например, углем*пласта шахты "Красноармейская-Капитальная" с привлечением дополнительной информации в виде дифференциальной кривой сорбции с1а./сСА (рис.3) показывает, что на интервалах давлений = 0,6-2 МПа ( лА^ = 2400-1700 кал/моль) к Арг= 2,75-3,75 МИа ( л Аг = 1540-1350 кал/моль) структурный параметр /г остается постоянным и равным соответственно 3 и - Этот Факт говорит о том, что при изменении равновесного давления насыщения в пределах до 5 МПа в веществе угля для метана фиксируется наличие двух микропористых сорбционных структур, причем заполнение макропористой структуры начинается при давлении р > 2,75 МПа. При этом интервал давлений р = 2-2,75 МПа следует рассматривать с энергетической точки зрения как барьерный или предельный, после перехода через который возможно формирование новой микропористой структуры са счет упругости сорбированного в микропорах газа. В свою очередь, образование новой микропористой структуры, состоящей из микропор меньшего характерного размера, чем микропоры первичной микропористой структуры, способствует количественному увеличению чиода вакансий сорбционного объема примерно на 30$, а величины сорбнионного объема на что в конечном итоге повышает сорбционную емкость угольного вещества.

При этом аналитическая зависимость степени заполнения угля метаном выражает собой суперпозицию процесса объемного заполнения двух микропористых сорбционных структур и имеет вид:

а * а,¿. а-а ехр{-(А/Ес)р12 , (6) где ао!г> £¿,/11, = 1,2*- параметры,соответственно первой и второй микропористых структур, методика расчета которых по экспериментальным данным о равновесной изотермической сорбции прошла апробацию и внедрена в ЧакШ1.

Расчеты показывают, что при формировании новой микросорб-ционной структуры значения структурных и энергетических параметров,а также параметра J5 для каждой из микропористых структур различны,однако.соотношение между ними на изменяется, т.е. .

Etfii/rij - £г£л/пл = coast (7)

Эта закономерность прослеживается и для влажных углей, в процессе изучения трансформации структуры которых установлено, что влага сосредоточена в микропоровом пространстве природного угля и оказывает существенное влияние на их формирование (рис. 4). Хотя наличие влаги не изменяет количества самих микропористых структур по сравнению с сухими углями, однако, она снижает величину энергетического барьера формирования новой микропористой структуры. Наличие влаги в угле приводит при температуре вблизи 0°С к аномалии сорбционных свойств углей, имеющих влажность более 3%, что связано с реальной возможностью оьразова-ния при этой температуре льда или кристаллогидратных соединений внутри структуры угля,способных дополнительно сорбировать газ.

В свою очередь и изотерма сорбции,полученная традиционным объемным методом, имеет особенность поведения при высоких значениях равновесного давления насыщения (порядка 7-9 МПа), которая проявляется в виде максимума на изотерме. Анализ этой особенности показывает, что ее появление, в частности, связано с методологией традиционного объемного способа определения сорбционной емкости углей, не учитывающей объемного набухания сорбента, т.е. структурно-трансформационных процессов в природном угле при сорбции.

Исследование процесса взаимодействия сорбирующегося газа и природного сорбента, кек явления происходящего в саморегулирующейся системе с обратной связью, позволило разработать физическую модель сорбционного набухания сорбентов, с помощью которой установлено, что сорбент, помещенный в газообразной сорбат,-увеличивает свой объем на величину, численно равную приращению его сорбционного объема за счет изменения физико-механических свойств и структуры сорбента в процессе сорбции.

Сформулированные в первой и второй главах представления о процессе взаимодействия сорбирующегося газа и природного сорбента составляют научные положения теории структурной трансформации при сорбционных явлениях, которая является дальнейшим продолжением научных исследований сорбентов и имеет непосредственное взаимовлияние на теорию разрушения газонасыщенных микропористых веществ, теорию внезапных выбросов угля и газа'в части разработки математического описания подготовительной стадии этого газодинамического явления, на развитие математического аппарата теории равновесной изотермической сорбции, а также служит фязи- ■ ческой основой новых методов исследования физических и сорбцион-ных свойств природных углей.

Исследования, составляющие содержание третьей главы, направлены на изучение процессов массоперепоса при неравновесных сорбционных процессах как в самом угольном веществе, так и в угольном пласте, а также их влияние йа ряд газодинамических ситуаций, возникающих при разработке угольных пластов.

Б основу разработанной физико-математической модели макроструктурах образований в угольном веществе положены два основных постулата: I) различные элементы макроструктуры образованы элементами микроструктуры угольного вещества, при этом первичным элементом макроструктуры является сорбционкая частица, представ- . ляющая собой объемную структуру незначительных размеров ( менее I мкм ) и включающую значительное, но конечное число микропор ( порядка Ю*8 г-* ); 2) доминирующим физическим процессом, который определяет характер' выделения сорбированного газа из микропор и образующихся из них объемных структур, является диффузия.

С этой точки зрения макроструктура частиц угля представляется следующим образом: сорбцзонные частицы составляют основу макроструктур-:.' угольного вещества, их совокупность образует су-персорбционные частицы, окруженные переходными порами и каналами; суперсорбционные частицы в свою очередь формируют фильтраци-онно-сорбционвде частицы, окруженные макропорамн и соответствующими им по размеру фильтрационными каналами, а совокупность

фильтрационно-сорбционных частиц образует исследуемую частицу угольного вещества. При этом в зависимости от того, в какой элемент макроструктуры входят сорбционкые частицы, условия протека- ; ния процесса диффузии из них сорбированного газа будут различны, а времена протекания процесса различаются, по крайней мере, на порядок величины.

В соответствии с изложенной схемой процесса и с учетом экспоненциального вида экспериментальных кривых кинетики десорбции математическое выражение, описывающее процесс газовыделения из частиц угля, должно^мють вид:

' <2 - £ йс (i-eKpf-g.it)), ¿= <,г..,/тг , (8) где - количество десорбирующегося из сорбционных частиц газа, расположенных в соответствующем типе макроструктурных образований, а Ас - диффузионный параметр кинетики десорбции, причем Ас = , где 2"А' - характерное время десорбции.

С учетом длительности конкретных экспериментальных данных по кинетике десорбции было установлено, что они могут дать надежную информацию только на уровне суперсорбционных частиц. Поэтому математический аппарат процесса газобыделения базируется на математическом описании процесса диффузии из суперсорбционных частиц различных типов: I) образующих внешнюю поверхность частиц угля; 2) образующих внешнюю поверхность фильтрационно-сорбцион-ных частиц; 3) находящихся в объеме фильтрационно-сорбционных частиц, при этом ПЬ = 3.

Вне зависимости от типа суперсорбционных частиц основное уравнение, описывающее процесс десорбции из них, являотся уравнением диффузии

гс/Ы = 3)(д*с/дгг+гдС/ъдг); {0&г (9) при начальном условии = С°= сс.раар») (10)

и граничном С/г* = СЮ=арЮ/&+арЮ)л (ц)

где предполагается, что суперсорбционные частицы являются шаровыми с некоторым приведенным радиусом /€<, , С концентрация сорбированного газа в частице, С9 - концентрация при ка-, чальном равновесном давлении Р0 ; а, , £ - константы Ленгмю-

pa. c0 - коэффициент диффузии.

При нарушении сорбционного равновесия количество выделившегося или поглощенного газа определяется по формуле:

QH) '*fc-jh JCft, i) z*dz j (I2)

<9 O

В свс» очередь граничные условия для уравнения (9) в конкретном случае будут:

для суперсорбцпонных частиц первого типа при t>0

C(z~Z0)~CM - Q.pK/{¿+apK) , (i3)

где р (t) = рк = con si: , давление до которого практически мгновенно изменяется давление р„ в результате нарушения сорб-ционного равновесия.

Для суперсорбциошшх частиц второго типа

pit) = /Vе Р«:+(Ро-рк) e*p¿-t/&?>) , (14)

a = tzs kCpTi Рх . «5)

где kep - параметр, характеризующий время изменения давления в фильтрационном поровом пространстве; d<p , и //^ - диаметр, длина и число капилляров, Vi - объем фильтрационного пространства; f¿ - вязкость газа.

Далее, для суперсорбционных частиц третьего типа -

pf-t) ~рп~рк +(р>-рк) exp(-t/£n) , (16)

kn = Цг/^п ZC¿¿/>K (IV)

для ламинарного течения в поровом пространстве, образованном переходными порами,

и ля = зеп гл /а/л ^//я, т) />к _ (щ)

для молекулярного течения; при этом £л , Т/п , А/л , cLn - геометрические параметры переходного порового пространства, /€г -газовая постоянная, Т - температура, j yt- - молекулярный вес газа.

Выражение для газовиделения из природного угля с учетом вклада ( ) каждого типа суперсорбционных частиц, полученное на основе решения уравнения (9) при соответствующих начальных и граничных условиях, имеет вид:

~ЯЦ^ЗШ) + (19:

где РМ- Г ~~ " (бе3ра3"

<д, = ¿¿[ре/а+арЛ-рЛл-аре)]; = -р<)/К+лрк)г, (20)

если для определения количества десорбирующегося газа в равновесных изотермических условиях используется уравнение Ленгмюра;

или 0г(а*/е)[(ро/ре^-(рк/р£)Л] ■ Ог<= ,(21)

если используется уравнение ТОЗГЛ в форме уравнения Фрейндлиха.

По своей структуре выражение (19) совпадает с выражением (8), а их идентификация позволила установить, что &*£)/£,? , = . ^ з - • В результате на основе выражения (8)

была разработана методика вычисления диффузионных кинетических параметров и установлена взаимосвязь этих параметров с уровнем макроструктуры угольного вещества. При этом размер элементов макроструктуры определяется размерами окружающих их транспортных каналов и значением диффузионных параметров кинетики десорбциц, а их взаимосвязь .определяется соотношениями:

с /00 , (22)

где - радиус фильтрационно-сорбционной частицы; и

£с * /00<£л п: , (23)

где - радиус суперсорбционной частицы.

Вычисления дают оценочные значения для =1-10 мкм.а

для ^¿р = Ь-50 ш, при этом имеет в зависимости от раз-

мера исследуемой фракции угля значение порядка (1,4-1,6)-Ю2 е., а Лп - (1,2-1,4)-103-с., в то время как -

(0,8-1,1),Ю4 с. Столь существенное различие в диффузионных параметрах позволило установить критерий разделения всего количест-

ва выделяющегося из угля газа. К быстро десорбирующемуся газу отнесен газ, выделяющийся за времена порядка Ар , а его количество в относительных величинах в сравнении с общим количеством газа сорбированного углем фракций от 3,7-4 мм до 0,075 мм составляет по расчетам от 9 до 2Ъ%.

Кроме того, сравнительный анализ соотношений (20) и (21) для позволяет установить взаимосвязь постоянных в уравнениях изотерм сорбции Ленгмюра и .Фрейндлиха, а соотношение между ниш имеет вид:

а - / (ре 'Ре) / » (24)

£ = ав(Л-£ (Рк/Ре) 4 (25)

Полученные соотношения (24) и (25) позволяют не только идентифицировать параметры уравнения Ленгмюра с параметрами уравнения ТОЗМ , но и установить их связь со структурой угольного вещества.

Основная цель исследований, выполненных в главе 4. состояла в создании физической модели и математического описания процесса тепломассопереноса в угольном веществе при неравновесной сорбции и установлении вклада каждого уровня макроструктуры в формирование интегрального теплового эффекта сорбции. Новизна этих исследований заключается в учете дифференциального вклада каждого уровня макроструктуры в формирование теплового эффекта сорбции.

Так-как явления перекоса массы и тепла при сорбции неотделимы друг от друга, то и выделяющееся при сорбции тепло должно представлять собой аддитивную величину в отношении тех макрост-руктурных образований, где происходит сорбция газа. Термокинетику сорбции, по аналогии с уравнением (8), можно представить выражением

2 = £ ^ {£ - ех/>(- &)), , (26)

где £ = I, 2, 3, а - кинетический параметр тепловыделения, ¡¿£ ~ предельное количество тепла, выделяющегося на соответствующем типе макроструктурнбго образования, £ - общее ко-

личество тепла.

Такое разделение логично вытекает из анализа элементарного акта тепловыделения при сорбции. Действительно, соответствующая этому процессу тепловая энергия возникает в результате того,что каждая свободная молекула газа теряет определенное количество степеней свободы, е значит и соответствующую им энергию, переходя в сорбированное состояние, а ее значение пропорционально как количеству сорбированных молекул, так и разности энергий молекул газа в свободном и сорбированном состоянии. Однако, этот процесс имеет существенные особенности, первая из которых связан? с тем, что заполнение каждого типа макроструктурных образований имеет свою постоянную времени, причем каждая из них отличается примерно на порядок величины, что. должно проявляться и в кинетике тепловыделения. Вторая особенность заключается в том, что хотя каждое макроструктурное образование согласно модели состоит из одних и тех же суперсорбционных частиц, однако,условия сорбции в них будут существенно различаться по причине возмонного существенного уменьшения энергии молекул свободного газа за счет работы на преодоление сил внутреннего трения в процессе транспортировки свободного газа к суперсорбционным частицам и, главный образом, к тем из них, которые находятся или на поверхности или в объеме фильтрационно-сорбционных частиц.

Анализ параметров кинетики сорбции, входящих в уравнение (8), и кинетических параметров тепловыделения, входящих в ..уравнение (26), позволил установить, что для каждых элементов макроструктуры они практически равны, причем дифференциальная теплота сорбции для каждого типа макроструктурных образований в угольном веществе является постоянной величиной и составляет для.суперсорбционных частиц первого типа величину порядка 30 кДж/моль, второго типа - 22 кДж/моль И третьего типа - 14 кДж/моль.'

Прикладное значение разработанного математического аппарата теории структурной трансформации и теории мэссопереноса состоит в том, что он бил использован в главе 5 для разработки научных основ метода противовыбросной дегазации, основанного на способе глубинного гидрорезания пласта тонкими струями под высо-

ким давлением для создания впереди забоя разгружающе-дегазирую-щей полости большого протяжения. Идея метода состоит в использовании эффекта подработки и надработки внутри самого угольного пласта, чем определяется его научная ценность для дальнейшего развития теории защитных пластов. Разработанные научные основы метода глубинного гидрорезания базируются на теории хрупкого разрушения газонасыщенного пористого тела и теории защитных пластов, описывающей процессы деформирования внутри самого разрабатываемого угольного пласта.

На основе наблюдений за газовыделением при прохождении подготовительных выработок и образовании впереди забоя щели-скважины была идентифицирована зона упорядоченного разрушения угольного пласта протяженностью порядка 5 м и расположенная от исходной линии забоя на расстоянии порядка 20 м. В этой зоне наблюдается минимальное газовыделение и максимальное значение коэффициента эффективности дегазации. Анализ данных по динамике изменения этого коэффициента по длине щели-скважины позволил установить критерий выбора оптимальных размеров разгружающе-дегазирующей щели-скважины, а'также послужил отправной идеей при разработке модифицированного варианта способа глубинного гидрорезания угольного пласта, повышающего коэффициент дегазации пласта в 1,4-1,5 раза по сравнению с существующим вариантом гидрорезания пласта единичной скважинойчцелью.

Теоретические разработки в этом направления вошли, составной частью в "Методические рекомендации по снижению газообильности подготовительных забоев путем дегазации передового угольного массива скважинами, совмещенными с разгружающими полостями, выполненными гидрорезанием пласта", которые приняты и внедрены в МакНИИ, ПО "Каратандауголь" и "Укруглегеология".

Таким образом, проведенные исследования устанавливают тес--ную связь газовыделения в подготовительные выработки с развитием зоны упорядоченного нарушения макроструктуры угольного пласта и составляют научную основу выбора оптимальных параметров технологического процесса передового глубинного гидрорезания угольного пласта, позволяющего целенаправленно изменять фильт-

рационное, газодинамическое и напряженно-деформированное состояние угольного пласта.

■Представленные в шестой главе новые методы исследования и определения сорбционшх свойств природных углей являются реализацией на практике основных положений теории структурной трансформации угольного вещества.

Научный фундамент'нового варианта объемного метода определения сорбционной емкости углей на основе использования сорбци-онной ампулы с дифференцированным размещением сорбента ( A.C. СССР № I35406I, 1985) составляют исследования причин различия в определении сорбционной емкости природных углей весовым и объемным методами с позиций ТОЗМ и представлений об угле как полидисперсном сорбенте. Исследования показали, что основная причина расхождения в сорбционной емкости,измеренной различными способами,заключена во влиянии напряженно-деформированного состояния природного угля на его сорбционную емкость, и там, где это влияние больше(объемный метод).сорбционная емкость в свою очередь меньше

Эксперименты показали, что при использовании нового варианта объемного метода сорбционная емкость всех исследованных образцов 'углей, имевших выход летучих веществ от 3 до 42$, в диапазоне равновесных давлений газа от 0,1 до 5 МПа, выше, чем аналогичная величина,замеренная традиционным методом, причем максимальное различие составило до 40$.

Исследования в этом направлении вошли составной частью в "Методику экспериментальных исследований по определению сорбционной емкости углей с помощью нового варианта объемного метода", которая апробирована и внедрена в МакНИЙ.

Идея еще одного метода определения сорбционной емкости углей, а также их показателя газоотдачи, была подсказана исследования?«® структурно-трансформационных процессов при сорбциокных явлениях. Эти процессы особенно интенсивно происходят при высоких значениях равновесного давления, а проявляются интегрально в виде максимума на изотерме сорбции. Это связано с тем, что очевидный факт сорбционного набухания угля, который непосредственно

влияет на изменение свободного объема сорбционной ампулы, ранее не принимался во внимание.

Таким образом, сущность способа заключается в учете изменения свободного объема сорбционной гмпулы с сорбентом за счет его сорбциояного набухания.

Регистрация изменения свободного объема ампулы с углем осуществляется с помощью гибкой мембраны, которая приводится в соприкосновение с углем. Но поверхности мембраны закреплены датчики, сигнал которых пропорционален прогибу кзибранн. Благодаря это-:;/ ведется непрерывное измерение приращения объема сорбента, которое рашо изменению свободного объема.

Экспериментальная проверка работоспособности метода показала, что максимальное различие в определении сорбционной емкости достигает почти 405 по сравнению с традиционным методом. Кроме того, установлено, что метод могет бить использован к в качестве метода определения сорбпяонного набухания насыпных сорбентов.

Необходимость разработки нового метода определения сорбцп-онного набухания сорбентов объясняется еущественгам недостатком существующих методов: :,"к контактного, так и бесконтактного. Этот недостаток связан с тем, что они не позволяют фиксировать сжатие образца в момент впуска газа з измерительную камеру.

По сравнению с существующими новый метод определения сорбционного набухания позволяет не только зафиксировать сжатие исследуемого образца угля в момент впуска сорбирующегося газа высокого давления в герметичную камеру, но такие и зафиксировать момент, когда величина сжатия достигает :лакси"альной величины, чтобы именно с этого момента начать непрерывный замер величины сорбционного набухания.

В качестве регистратора величины сорбционного набухания ис-_ пользовался тензодатчик,укрепляемый на образце угля и подключенный к автоматизированной измерительной системе с высокой времен-, ной разрешающей способностью. Все это позволило повысить точность определения- величины сорбционного набухания на 201?.

Несмотря на высокий уровень исследований в области количественны." методов наблюдения за процессами газогоглощения и га-

зовыделения метана из углей, до сих пор оставался открытым вопрос о методе прямого наблюдения за процессом поглощения или выделения метана из угля. Идея метода визуализации процесса десорбции(сорб-ции)метана из природного угля заключается в фиксации газовых йе-однородностей,возникающих вокруг исследуемото образца угля при та-зовыделении (газопоглощении) на экране теневого прибора или визуально, или посредством фотоэлектрических датчиков, или на фото- и кинопленке. ■

Условия проведения экспериментов по визуализации, а именно: диапозон равновесных давлений и интервал длительности наблюдений, определялись на основе теоретических исследований в области структурной трансформации угольного вещества и неравновесных сорбцион-. ных процессов.

Идея визуализации сорбционных процессов нашла свое воплощение в лабораторной экспериментальной установке ЭУ-1 ,а затем и в измерительном комплексе "Каскад-1", который предназначен для моделирования газодинамических процессов в призабойной зоне угольного пласта.

ЗАКШШЕНИЕ

.Разработанные в диссертационной работе научные положения теории структурно-трансформационных процессов при сорбционных явлениях в природных газонасыщенных углях, а также полученные на их основе новые научные результаты,обоснованные и закрепленные пакетом методик и методических рекомендаций и воплощенные на практике в новых эффективных способах определения сорбционных свойств природных углей и способе дегазации разрабатываемых угольных пластов, представляют собой новое крупное достижение в развитии перспективного направления в горной науке "Физическая химия газоносного угольного пласта" , что имеет существенное значение для познания и управления газодинамическими явлениями в шахтах.

Научные положения-теории структурно-трансформационных процессов сводятся к следующему:

- микросорбциошюе пространство угольного вещества представляет собой совокупность микросорбционных подпространств,заполняемых соответствующими им сорбатами;

- тип микропоры определяется характерным размером поглощаемых в ней молекул сорбата, а не ее геометрически?.® размерами;

- структурный параметр ft- определяет не только геометрические размеры микропор, но и характеризует наиболее оптимальные ус-' ловил для сорбции при заданных внешних условиях;

- первичным элементом макроструктуры угольного вещества является сорбционная частица, представляющая.собой объемную структуру размером менее I мкм и включающую порядка I0*8 микропар/г угля;

- тип элемента макроструктуры угольного вещества определяется соответствующим диффузионным параметром кинетики десорбции, а дифференциальная теплота сорбции для каждого типй макроструктуры является постоянной величиной;

- структурная трансформация газонасыщенного угольного вещества происходит за счет высвобождения аккумулированной в микропорах потенциальной энергии отталкивания молекул сорбата.при этом соотношение между структурным (Л-) и энергетическими (£,уЗ) параметрами первичной и формирующихся структур не изменяется,т.е. = const ;

- газонасыщенный уголь представляет собой полидисперсную микропористую природную систему, способную к адекватным изменениям своей структуры при изменении равновесного давления сорбирующегося газа и других видах внешних воздействий.

Подход к сорбционным явлениям и их анализ с точки зрения теории структурной трансформации позволил:

- обосновать роль сорбированного в микропорах угольного вещества газа как начальной движущей силы процесса трансформации структуры газонасыщенного угольного вещества и как фактора существенно уменьшающего коэффициент поверхностного натяжения (2,5-4 раза) и значение трещиностойкости и прочностные свойства угля (1,6-2 раза);

- сформулировать новый принцип классификации пор в природном сорбенте в зависимости от физического состояния молекул сорбата в порах;

- установить причину различия в сорбционной емкости углей по отношению к разным газам, которая обусловлена размером молекул газов и объемом соответствующих гол микросорбционннх подпространств;

- расширить область использования математического аппарата ТОЗМ, • позволившего надежно определять структурный и энергетический параметры сорбента по любой точке изотермы сорбции;

- создать модель макроструктурных образований и математическое описание процесса тепломассопереноса в угольном веществе,которое базируется на описании этих процессов в сорбционных частицах различных типов: I) образующих внешнюю поверхность частиц угля, 2) образующих внешнюю поверхность фильтрационно-сорбцион-ных частиц и 3) находящихся в объеме фильтрапионно-сорбционных частиц, при этом дифференциальная теплота сорбции для каждого типа сорбционных частиц является постоянной величиной и составляет соответственно порядка 30,22 и 14 кЛд/моль;

- идентифицировать зону упорядоченного разрушения угольного пласта при проходке подготовительных выработок с образованием впереди забоя щели-скважины, оценить размер (порядка 2 А, где /£- мощность пласта) и положение зоны от исходной линии забоя (порядка (4-5)Л.) для угольных пластов Караганды, а также обосновать критерии выбора оптимальных параметров модифицированного варианта метода глубинного гидрорезания, как элемента технологии проходки подготовительных выработок, позволяющего целенаправленно изменять- газодинамическое состояние угольного пласта.

Основные положения теории структурной трансформации природного угля закреплены в виде пакета методик и методических рекомендаций, относящихся к основным направлениям исследований. Он включает:

- методики.' расчета структурных и энергетических параметров угольного вещества по экспериментальным данным о равновесной сорбции при постоянной температуре; вычисления кинетических диффузионных параметров угля по экспериментальным данным кинетики десорбции и расчета давления в замкнутом объеме за счет десорбции газа из угля, помещенного в этом объеме; а также методические рекомендации по снижению газообильности подготовительных забоев путем дегазации'передового угольного та-сива- скважинами, совмещенными с разгружающё-дегазирующими полостями, выполненными гидрорезанием пласта.

Логическим воплощением на практике основных положений теории структурной трансформации угольного вещества стали разработанные методы исследования физических, сорбционных свойств при-

родных углей, создание которых направлено па дальнейшее развитие научных достижений в области исследования сорбционных явлений в природных сорбентах. Эта группа методов включает:

- новый вариант объемного метода определения сорбцпонной емкости углей на основе сорбцпонной ампулы с дифференцированным размещением сорбента (A.c. СССР й I3540SI, 1986);

- метод определения сорбцпонной емкости углей, учитывающий изменение свободного объема сорбцпонной ампулы с.сорбентом за счёт структурно-трансформационных процессов в них при сорбции; метод пригоден для определения величины сорбцнонного набухания насыпных сорбентов (А.с.СССР Ji 1573667, 1988);

- метод определения сорбцнонного набухания с возможностью фиксации сжатия образца углл в момент впуска газа ( A.c. СССР ... положительное решение по заявке .'« 4372035/26, 1988);

- математическое описание метода определения показателя начальной скорости газоотдачи углей (метод лр );

- метод визуализации процесса газовыделения сорбтивов из природных углей (A.c. СССР й 1086383, 1984).

Таким образом, основные положения теории структурно-трансформационных процессов при сорбционных явлениях в природных газонасыщенных углях и полученные на их основе новые научные результаты, воплощенные на практике в новых эффективных способах исследования и определения сорбционных свойств углей, имеют существенное значение для понимания и управления опасными газодинамическими явлениями в угольных шахтах.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Кузнецов C.B.,Бобин В.А. К вопросу о кинетике десорбции при газодинамических явлениях в угольных шахтах. //Физ.-техн. пробл.разр.полезн.ископаемых. Js 1,1980, с.58-64.

2. Кузнецов C.B.,Бобин В.А. Влияние десорбции на формирование очага внезапното выброса. //Труди 5-го Всесоюзного съезда по теоретической и прикладной механике. М.,"Наука",1981.

3. Кузнецов C.B..Бобин В.А. Исследования динамики изменения давления в замкнутом объеме за счет десорбции метана из угля.

//В об. "Вопросы механики горных пород при разработке месторождений твердых полезных ископаемых". ,ИПК0Н АН СССР, 1982-,

с. 60-70.

4. Бобин В.А. Математическое описание метода определения показателя газоотдачи. //В сб. "Вопросы механики горных пород при разработке месторождений твердых полезных ископаемых"., ИПКОН АН СССР, 1982, с.70-80.

5. Бобин В.А. К вопросу о доказательстве применимости теории объемного заполнения микропор для объяснения процесса поглощения метана углем. //В сб. "Методы прогнозирования и предотвращения загрязнения рудничной атмосферы газами и . пылыо", ИПКОН АН СССР, 1984, с.93-106.

6. Бобин В.А.,Зверев И.В..Поставнин Б.Н. // A.c. СССР

К 1086383, Способ определения газовыделения сорбтива из сорбента. Б.и. №Ы, 1984.

7. Зверев И.В..Долгова М.О..Зильбершмидт М.А., Бобин В.А. Теоретические-основы процесса трансформации газонасыщенного угольного вещества в условиях внешних воздействий, /Дголь, Л II, 1984, с.63. v

8. Айруни А.Т.,Бобин В.А., Галманов A.A. Оценка экспериментальных данных по равновесной сорбции СН4 й СО2 на ископаемых углях. //Физ.-техн.пробл.разр.полезн.ископаемых, № 3 , 1985, с.45-53. 4 " ' /

9. Айруни А.Т., Бобин В.А. Различия в определении сорбционной емкости ископаемых углей весовым и объемным методами. // Изв.ВУЗов, Горный журнал, № 7, 1985, с.9-13.

10. Айруни А.-Т.,Бобин В.А. .Зверев И.В. Теоретические основы формирования микроструктуры газонасыщенного угольного вещества. //Физ.-техн.пробл.разр.полезн.ископаемых, № 5,1985, е.89-96.

11. Айруни А.Т. .Зверев И.В. .Долгова М.О. .Бобин В.А. Физические и физико-химические принципы прогнозирования и контроля газовыделений на утольных шахтах. //Труды XXI конгресса по безопасности работ в горной промышленности. г.Сидней (Австралия), 1985.

12; Айруни А.Т.,3верев И.В..Бобин В.А. и др. Каскад-I. Установка для исследования переходных процессов..//Проспект ВДНХ, ШЖОН АН СССР, 1986, 5 с.

13. Айруни А.Т., Бобин В.А..Зверев И.В. Метод визуализации процесса десорбции (сорбции) газообразных сорбатов из природных углей. //В сб. "Актуальные проблемы рудничной аэрогазодинамики", 1986, с.37-41.

14. Айруни А.Т.,Бобин. В.А..Зимаков Б.М. К вопросу о связи между структурным и энергетическим параметрами в теории объемного заполнения микропор (ТОЗМ).Сообщение I. Анализ основного уравнения ТОЗМ при различных степенях заполнения сорбента сорбатом. //Физ.-техн.пробл.разр.полезн.ископаемых,

№ 4, 1986, с.87-91.

15. Айруни А.Т.,Бобин В.А.,Зимаков Б.М. и др. К вопросу о связи между структурным и энергетическим параметра?.® в теории объемного заполнения микропор (ТОЗМ). Сообщение 2. ОБ универсальности комплексного параметра £ß Jn . //Физ.-техн. пробл.разр.полезн.ископаемых, JS б, 1986, с.88-92.

16. Айруни А;Т.,Бобин В.А. Модель макроструктуры угольного вещества. //Изв.ВУЗов, Горный журнал, .№2,1987, с.1-7.

17. Айруни А.Т.,Бобин В.А. Взаимосвязь параметров кинетики десорбции с макроструктурой угольного вещества. //Изв.ВУЗов, Горный журнал, № 3, 1987, с.63-70.

18. Айруни А.Т.,Бобин В.А. Оценка размеров элементов иакрострук-туры угольного вещества. //Изв.ВУЗов, Горный журнал, JS 4, 1987, с.50-55. _ .

19. Айруни А.Т., Бобин В.А., Лазавев В.Г. Основы метода передового глубинного гидрорезения угольного пласта. //Изв.ВУЗов, Горный журнал, Ä 6, 1987, с.54-61.

20. Айруни А.Т.,Бобин В.А., Лазарев В.Г. Анализ экспериментальных данных по динамике газовыделения в подготовительные выработки. //Изв.ВУЗов, Горный журнал, № 8, 1987, с.37-43.

21. Айруни-А.Т.,Бобин В.А., Математическое описание метода определения показателя газоотдачи. //Физ.-техн.пробл.разр.полезн. ископаемых, № 2, 1987, с 91-95.

22. Бобин В.А. Сорбционные процессы в природном угле и его структура. ИПКОН АН СССР, 1987, 135 с.

23. Бобин В.А. Формирование микроструктуры газонасыщенного угольного вещества. Кинетика сорбции (десорбции) метана природными углями. // В кн. АЙруни А.Т. "Прогнозирование и предотвращение газодинамических явлений в угольных пихтах" , М., "Наука" , 1987, с 122-236.

24. Айруни А.Т., Сергеев И.В.,Бобин В.А. и др. Газообильность каменноугольных шахт СССР. Эффективные способы искусственной дегазации угольных пластов на больших глубинах. М., "Наука", 1987, 200 с.

25. Айруни А.Т.,Бобин В.А..Сморчков Ю.П. Противовыбросная дегазация при скоростном проведении подготовительных выработок по малогазопроницаемым угольным пластам. //Труды XXII конгресса по безопасности работ в горной промышленности. г.Пекин, (КНР), 1987.

26. Бобин В.А. // A.c. СССР й I35406I. Устройство для определения сорбционной емкости природных углей. Б.и. № 17, 1986.

27. Airuni А.T., Bobin V.A. , Galmanov A.A. Evaluation of experimental data for equilibrium eorbtion of CH^ and C02 in foeeil coale. Soviet Mining Science, 1986, v.21, H 3, p.246-253.

28. Бобин B.A..Струковская T.B..Абрамян Л.А. Экспериментальная проверка новой ^мпулы для определения сорбционной емкости углей объемным методом. //В сб. "Методы борьбы b рудничными тазами и пылью", ИПКОН АН СССР, 1987, с 66-73.

■29. Бобин В.А. .Одинцев В.'Н. .Зимаков Б.М. .Эттингер И.Л. Модель опережающего разрушения угольного массива при выбросах угля и газа. // Тезисы докладов Всесоюзной научной школы "Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках", г-. Симферополь, 1987; с.14-15.

30. Айруни А.Т.,Бобин В.А.«Зверев И.В.Долгова М.О. Физические и физико-химические принципы протноза и управления газовыделением В угольных пластах. Archivée of Mining Sciences, v.23, 1987, leeue 4, p.517-527.

31. Бобин В.А. , Зимаков Б.М..Зильберттейн М.И. ,Флетантов А.К. Влияние сорбционного набухания на определение метаноемкооти углей. //В об. "Геомеханика выбросоопасннх угольных пластов и аэрогазодинамика глубоких шахт", ИПКОН АН СССР , 1988 , с.56-63.

32. Айруни А.Т., Ставровский В.А., Бобин В.А. и др. "Методические рекомендации по снижению газообильности подготовительных забоев путем дегазации передового угольного массива скважинами, совмещенными с разгружающими полостями, выполненными

. гидрорезанием пласта". ИПКОН АН СССР, 1988, II о.

33. Айруни А.Т.,Бобин В.А., Зимаков Б.М. и др. Микроструктура углей и особенности равновесной сорбции. //Физ.-техн.пробл. разр.полезя.ископаемых, № I, 1989, с 60-67.

34. Бобин В.А., Зимаков Б.М., Одинцев В.Н. Оценка энергии межмолекулярного отталкивания молекул сорбата в микропорах угля. //Физ.-техн.пробл.разр.полези.ископаемы*, й 3,1989, о.81-90.

35. Айруни А.Т..Галазов P.A., Сергеев И.В., Бобин В.А. и др. Га-зообильносить каменноугольных шахт СССР. Комплексное освоение газообильных угольных месторождений. М., "Наука", 1990 ,

212 с.

36. Бобин В.А. Влияние структуры углей на термокинетику процессов газопоглощения (газовыделения) в системе "газ-природный сор- • ббнт".Сб."Прогноз и предотвращение опасных газопроявлений при разработке угольных месторождений".М.,ИПКОН АН СССР, I99Ö,

с.31-45.

37. Бобин В.А. Математическое моделирование процесса тепломассопе-реноса в угольном веществе. Тезисы докладов международного семинара "Автоматизация научных исследований в геологии,горном деле, экологии." М., 1991, с.7. •

38. Бобин В.А. Методика определения сорбционной емкости углей о помощью нового варианта объемного метода. Сб."Научно-технические разработки для практической реализации". М., ИПКОН АН СССР, 1991, с.77-78.

Подписано в печать 23.II.92.Объем 2 п.д.,»ака» 879-92, тираж 100 эка. Бесплатно.

Ротапринт ИЛКОН РАН. Москва, Крюковский тупик,4