НацІональна Академія наук України

іНСТИТУТ ФіЗИКИ Гірничих ПРОЦЕСіВ

на правах рукопису

СТАРІКОВ Геннадій Петрович

УДК 622.831:537.86

ПРОГНОЗУВАННЯ НЕСТІЙКОСТІ СИСТЕМИ “ВУГІЛЛЯ-ГАЗ” ПРИ ВІДПРАЦЮВАННІ ВИКИДОНЕБЕЗПЕЧНИХ ВУГІЛЬНИХ ПЛАСТІВ

Спеціальність 05.15.11 - “Фізичні процеси гірничого виробництва”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Донецьк – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики гірничих процесів НАН України

(м.Донецьк)

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор Алєксєєв Анатолій Дмитрович

директор Інституту фізики гірничих процесів НАН України (м.Донецьк)

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Кузін Віктор Олексійович, професор кафедри менеджменту виробничої сфери Донецького державного університету управління (м. Донецьк)

доктор технічних наук, професор Грядущий Борис Абрамович,

директор Донецького науково-дослідного вугільного інституту (м. Донецьк)

доктор геолого-мінералогічних наук, професор

Лукінов В’ячеслав Володимирович, заступник директора з наукової роботи Інституту геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ)

Провідна організація:

Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Захист відбудеться “ 21 ” __грудня___ 2005 р. о _1200_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.184.02 при Інституті фізики гірничих процесів НАН України за адресою: 83114, м. Донецьк-114, вул. Р. Люксембург, 72, к.525

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики гірничих процесів НАН України за адресою: 83114, г. Донецьк-114, вул. Р. Люксембург, 72, к.402

Автореферат розісланий “ 21 ” _листопада__2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук О.В.Гладка

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Перспективи розвитку вугільної промисловості України значною мірою визначаються об’ємом видобутку вугілля з викидонебезпечних вугільних пластів, що не перевищує зараз 35% від загального видобутку вугілля в країні. Реалізація цього напрямку призведе до інтенсифікації гірничих робіт на діючих та підготовчих більш глибоких горизонтах за рахунок збільшення швидкості розвантаження викидонебезпечного вугільного масиву і відповідно до активації газодинамічної та геодинамічної активності, а саме у підготовчих виробках, в яких частота та інтенсивність газодинамічних явищ (ГДЯ) досягнуть максимальних значень. За таких умов зменшиться надійність застосовуваних способів прогнозування викидонебезпечності та значно збільшиться об’єм противикидних заходів, що пов’язано з недостатнім вивченням закономірностей та природи зміни викидонебезпечності із зростанням швидкості розвантаження привибійної частини вугільного пласта.

Суттєве підвищення ефективності методів прогнозування вимагає застосування нового наукового підходу до їхнього обґрунтування, що базується на вивченні нестійкості системи “вугілля-газ”, за умов пошкодження порової структури вугілля, що є акумулятором метану і встановлення закономірностей формування і розвитку ГДЯ з урахуванням природничих та техногенних факторів.

Таким чином, розробка більш надійних способів прогнозування викидів вугілля та газу і кваліфікація різних типів ГДЯ, які враховують полімерну структуру вугілля, ступінь заповнення її метаном і кінетику газовиділення, що визначається співвідношенням зовнішніх і внутрішніх напружень у пласті, являється актуальною науковою та прикладною проблемою.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація базується на результатах науково-дослідницьких робіт, виконаних відповідно до комплексної програми за проблемою 0.05.05, затвердженою постановами ДКНТ СРСР, Держплану СРСР та АН СРСР №475/251/131 від 12.12.1980 і розпорядженням Президії УРСР 312 від 30.11.1982. “Дослідити механізм руйнування вугілля при спільній дії механічних напружень і газу на великих глибинах” (№ДР006165 – 1984р.), “Разработать и внедрить способ определения выбросоопасности угольных пластов на основе соотношения количества составляющих водо-метановой смеси” (№ГР01840025844 – 1989г.), “Выявление особенностей изменения физических свойств угольных пластов на больших глубинах с целью определения их категорий выбросоопасности и разработки эффективного способа предупреждения выбросов угля и газа” (№ГР01870091694 – 1992г.); постановами Президії НАН України №308 від 24.12.2003, №188 від 14.07.2004 “Дослідження сорбційних властивостей вугілля та гірничих порід при високому тиску” (№ДР0100U002912 – 2003р.), “Исследование фазового состояния и количества метана в ископаемом угле для повышения безопасности труда” (№ГР0104U003806 – 2004г.); галузевими замовленнями Мінвуглепрому України “Розробка керівництва по застосуванню відрізнення раптового обрушення (висипання) від викиду для експертної оцінки типу ГДЯ” (№ДР0101U003245 – 2001р.) та Центрального штабу Державної воєнізованої гірничорятувальної служби “разработать метод определения времени образования в горных выработках, пройденных по пласту, опасной концентрации метана при пожарах с учетом сорбционных свойств угля” (№ГР0101U003243 – 2002 г.).

Мета роботи – розвиток наукових основ нестійкості системи “вугілля-газ” для розробки способів прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів та кваліфікації типу ГДЯ.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

-

-

-

-

Ідея работи полягає в єдиному методичному підході до прогнозування і кваліфікації ГДЯ на основі показника зміни потенціалу вільної енергії системи “вугілля – газ” інтегрально враховуючого сукупність та динамику параметрів, відповідальних за процес формування і розвитку викидів вугілля та газу.

Об’єкт досліджень – газодинамічні процеси у вугільних пластах.

Предмет досліджень – способи прогнозування та кваліфікації типів ГДЯ.

Методи досліджень. В роботі застосований комплексний метод досліджень, котрий включає аналіз відомих положень з даної проблеми, теоретичні дослідження, які базуються на методах статистичної термодинаміки та математичного моделювання, експериментальні дослідження з фізичного моделювання деформування та механізму руйнування вугілля з урахуванням газонасиченості, контрольованої за спектрами ядерно-магнітного резонансу, апробацію і впровадження розроблених способів прогнозування та кваліфікації ГДЯ на шахтах, котрі розробляють загрожуючі та викидонебезпечні вугільні пласти.

Основні наукові положення, що виносяться на захист:

1. Розвиток ГДЯ визначається швидкістю зміни внутрішніх параметрів системі “вугілля – газ” з досягненням її нестійкісті під впливом хвилі розвантажування та переходом системи з метастабільного стану з високою концентрацією метану в стійке – з низькою концентрацією метану.

2. Час виходу сорбованого метану із пор в тріщини прямо пропорційний об’єму закритих пор та площі тріщин і обратно пропорційний квадрату метаноємності вугілля, розчинності метану та коефіцієнту дифузії.

3. Зміна механізму руйнування вугілля від зсувного до пошарового відриву, характерного для раптових викидів вугілля і газу, визначається видом напруженого та деформаційного станів, ступенем волого- та газонасиченості і швидкістю розвантаження мінімального стискуючого напруження.

4. Швидкість десорбції та енергії активації дифузії метану з вугілля визначається ступенем порушення об’єму закритих пор, яка має максимальне значення для вугілля з місць викидів та мінімальні значення з місць раптових обрушень.

Наукова новизна отриманих результатів:

- Вперше за зміною потенціалу вільної енергії встановлені закономірності впливу щільності заповнення закритих пор метаном та співвідношення внутрішніх і зовнішніх напружень на нестійкість системи “вугілля-газ”; показано, що механізм розвитку ГДЯ – перехід системи “вугілля-газ” у стійкий стан із низьким складом метану залежить від швидкості хвилі розвантаження та в’язкості вугілля, що призводить до розкриття закритих пор, акумулюючих основний об’єм метану.

- Вперше теоретично встановлений функціональний зв’язок часу виходу метану із закритих пор в тріщини та участь його у ГДЯ від розмірів тріщин, об’єму пор, метаноємності вугілля, розчинності метану у вугіллі та коефіцієнта дифузії.

- Вперше експериментально встановлена залежність ступеня викидонебезпечності вугільного пласта від кількісного складу водометанового флюіда, величини гірничого тиску і міцності вугілля.

- Вперше встановлені кількісні залежності змінення кінетики газовиділення та енергії активації дифузії метану із вугілля від ступеня порушеності його поруватої структури в результаті ГДЯ.

Наукове значення роботи полягає в узагальненні та подальшому розвитку теорії раптових викидів вугілля та газу, що надало можливість встановити закономірності зміни форми і рівня потенціалу вільної енергії системи “вугілля-газ” залежно від параметрів, які визначають її нестійкість, та з єдиних позицій підійти до обґрунтування критеріїв викидонебезпечності і кваліфікації ГДЯ.

Практичне значення отриманих результатів. Встановлені закономірності кінетики змінення вільної енергії системи “вугілля-газ” з урахуванням впливу хвилі розвантаження дозволили розробити нові фізичні і геомеханічні критерії та на їхній основі способи прогнозування осередків ГДЯ, викидонебезпечності при розкриванні вугільних пластів та кваліфікації типів ГДЯ у вигляді нормативних документів для застосування на шахтах України:

1. Прогнозування осередків викидів вугілля і газу у вибої пластової підготовчої виробки: ГСТУ 101.24647077.001-2003 Затв. наказом Мінпаливенерго України № 697 від 26.11.03.

2. Спосіб відрізнення раптового обрушення (висипання) вугілля від викиду для експертної оцінки типу ГДЯ. Керівництво із застосування: КД 12.01.05.070-2001. Затв. наказом Мінпаливенерго України №13-5040/202 від 13.12.01.

3. Спосіб прогнозування викидонебезпечності при вскритті крутих та крутопохилих пластів. Методичні вказівки: КД 12.10.05.01-99 Затв. наказом Мінвуглепрому України №13-954/99 від 11.01.00.

Реалізація результатів роботи: розроблений спосіб відрізнення раптового обрушення (висипання) вугілля від викиду для експертної оцінки типу ГДЯ прийнят до застосування у Макдні і рекомендован до включення у проект ДНАОП “Беспечне проведення гірничих робіт на пластах схильних до газодинамічних явищ”; спосіб прогнозування осередків викидів вугілля і газу у вибої пластової підготовчої виробки прийнятий до застосування на шахтах ДВАТ “Шахтоуправління Донбас” дозволить отримати річний економічний ефект від впровадження у розмірі 989,2 тис.грн.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи підтверджуються:

- коректністю поставлених задач; використанням апробованих полімерних моделей, фундаментальних положень статистичної термодинаміки, фізики твердого тіла і механіки суцільного середовища, установок ЯМР та тривісного об'ємного навантаження для визначення концентрації метану у вугіллі, моделювання руйнування в умовах нерівнокомпонентного тензора напружень; позитивною збіжністю розрахункових і фактичних результатів та відсутністю помилок I роду, отриманих при проведенні приймальних випробувань і впровадженні способів прогнозу викидонебезпечності та кваліфікації типів ГДЯ.

Особистий внесок здобувача.

Автором самостійно сформульовані мета і задачі досліджень, ідея роботи; обгрунтована фізична модель системи “вугілля-газ”, що дозволяє теоретично визначити умови втрати стійкості, які характеризують проявлення газодинамічної активності вугільного масиву; проведені дослідження на установці тривісного навантаження для вивчення ступеня впливу газонасиченості, швидкості розвантаження, виду напруженого стану на механізм руйнування вугілля. Автором розроблені критерії прогнозування викидонебезпечності та кваліфікації типів ГДЯ і під його керівництвом та безпосередньою участю проведені приймальні випробування, результати яких визначили параметри способів.

Апробація результатів роботи. Основні положення роботи доповідалися, обговорювалися і отримали схвалення на наукових семінарах та засіданнях вченої ради ІФГП НАНУ; на 24-й міжнародній конференції “Безпечність робіт у гірничій промисловості” (м. Донецьк, 1991р.); на міжнародній конференції “Ефективне і безпечне підземне добування вугілля на базі сучасних досягнень геомеханіки (м. Санкт-Петербург, 1996р.); на XIII міжнародній конференції “Деформування і руйнування матеріалів з дефектами і динамічні явища в гірничих породах і виробках” (м. Алушта, 2003р.); на засіданнях Центральної комісії по боротьбі з газодинамічними явищами в шахтах (1990, 1993, 1999, 2002, 2003рр.); на міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні технології і обладнання для добування вугілля підземним способом” (м. Донецьк, 7 вересня, 2004р.), на науково-практичній конференції “Шляхи підвищення безпечності гірничих робіт у вугільній галузі” (м. Макіївка, 8 – 9 грудня 2004 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 40 наукових робіт, у тому числі 23 статті у спеціалізованих виданнях, затвердженних ВАК України, 7 – у матеріалах конференцій, отримано 3 авторських свідоцтва на винахід, розроблені 3 нормативних документи для вугільної галузі.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, додатків і списку літературних джерел із 241 найменування. Робота містить 318 стор. машинописного тексту, 81 рисунок, 22 таблиці і 2 додатка.

Автор висловлює подяку співробітникам Інституту фізики гірничих процесів НАНУ за підтримку та участь у проведенні експериментів, приймальних випробувань і впроваджень, глибоке шанування доктору технічних наук, професору А.Д.Алєксєєву за науково-консультативну допомогу в процесі виконання роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі “Стан вирішення проблеми прогнозування газодинамічних явищ в шахтах Донбасу” проведений аналіз існуючих уявлень про природу і механізми ГДЯ та методів прогнозування викидонебезпечності вугільних пластів і кваліфікації при проведенні підготовчих виробок на пластах пологого і крутого падіння.

Основоположні дослідження по вивченню природи та механізму ГДЯ належать О.О.Скочинському, І.В.Боброву, В.В.Ходоту, І.М.Пєтухову, С.О.Христіановичу. Великий внесок в наукове обґрунтування і розробку способів прогнозування та попередження раптових викидів вугілля і газу внесли дослідження А.В.Агафонова, А.Т.Айруні, А.Д.Алєксєєва, А.І.Боброва, М.Є. Волошина, А.І.Зоріна, Б.М.Іванова, С.В.Кузнєцова, А.М.Лінькова, В.В.Лукінова, В.С.Маєвського, В.І.Ніколіна, Б.К.Нореля, А.Є.Ольховіченко, А.Е.Петросяна, А.О.Рубінського, К.К.Софійського, Г.А.Шевелєва, І.П.Еттінгера, Г.Н.Фейта, М.Ф.Яновської та інш.

Існуючі уявлення про умови виникнення і розвитку раптових викидів вугілля та газу, незважаючи на їхню значну кількість, принципово можна віднести до основних положень енергетичної теорії викидів вугілля та газу. Відносно цієї теорії основними факторами, що визначають викидонебезпечність вугільних пластів, є: 1) газ, вміщений у вугільному пласті у вільному і сорбованому (адсорбованому, абсорбованому і розчиненому у вугіллі) станах; 2) закономірне стрибкоподібне розподілення напруження гірничого тиску на газоносний вугільний пласт; 3) характерні для викидонебезпечних зон пластів від’ємності природних фізико-механічних, фізико-хімічних і структурних характеристик вугільної речовини.

Раптові викиди є багатостадійними процесами, тривалість яких залежить від тривалості етапу накопичення потенційної енергії пружніх деформацій порід з переходом метаноносного масиву в привибійній зоні в гранично напружений стан. Зміна напружено-деформованого стану вуглепородного масиву, що виникає під дією гірничих робіт, призводить до утворення зони граничних станів (незворотних деформацій) в привибійній області. Напружений стан в ній змінюється від узагальненого стиснення на межі із зоною впливу виробки до узагальненого зсуву або узагальненого розтягання. При цьому механізм руйнування призабійної частини вугільного масиву буде визначатися швидкістю розвантаження і видом його напружено-деформованого стану.

На наступній стадії раптового викиду відбувається швидке руйнування привибійної частини метаноносного пласта, ініційоване технологічними процесами: подрібнення вугілля, збільшення пустотності (тріщинуватості і пористості) і через це інтенсивна десорбція метану із вугілля, яка призводить до збільшення енергії газоподібного метану. Великі запаси газу і пружних деформацій реалізуються в руйнуванні, що переходить в лавиноподібний процес. Зростання тріщин в метаноносному вугільному масиві залежить від спільної дії гірничого та газового тисків і відбувається при їхньому певному співпадінні.

Таким чином, необхідною умовою виникнення раптового викиду треба вважати не лише певний напружений стан, та його змінення, але і швидкість змінення напруженого стану та руйнування вугілля, які забезпечують реалізацію сил газу. Різне співпадіння природних властивостей вугільних пластів, вміщуючих порід і технології вуглевидобутку передбачає різноманітність умов виникнення та форм проявлення газодинамічних явищ.

В цілому з наведеного аналізу видно, що умови викидонебезпечності, які випливають з енергетичної теорії, використати для прогнозування практично неможливо, оскільки оцінку ступеня впливу кожного фактора можна робити після того, коли відбулося ГДЯ. Крім того, до цього часу залишається дискусійним питання про ступені участі у викиді сорбованого газу, не дивлячись на те, що ряд дослідників відмічає перевищення десорбіруючого метану над сорбційною метаноємністю вугілля.

Аналіз викидів вугілля та газу, що відбулися за останні 15 років при вибухових роботах в режимі струсного підривання на пластах пологого падіння (табл.1) показує, що інтенсивність викидів, в першу чергу, визначається природною метаноносністю вугілля, причому фактичне метановиділення перевищує її в середньому на 32%, а на пластах крутого падіння, а саме при розкриванні, ця величина складає 44%.

Таблиця 1

Характеристика викидів вугілля та газу, що відбулися при проведенні пластових підготовчих виробок в режимі струсного підривання

В цілому це може бути пов’язане як з нерівномірним розподілом метану у вугільному пласті, так і з наявністю в поровій структурі значної кількості закритих пор. Останнє ствердження більш достовірне, оскільки об’єм закритих пор у викидонебезпечних пластах перевищує об’єм відкритих пор в 2-3 рази і знаходиться в межах 0,19-0,26 см3/г. звичайно, основний об’єм метану знаходиться в закритих порах, а ступінь газодинамічної активності буде визначатися умовами трансформації пор в тріщини та кінетикою газовиділення метану із вугілля.

Таким чином, з трьох основних факторів викидонебезпечності найбільш інформативним та найменш вивченою є структура газонасиченої вугільної речовини, трансформація якої при певних умовах сприяє утворенню викидонебезпечної ситуації.

Прогнозування ступеня викидонебезпечності вугільних пластів і кваліфікації типів ГДЯ, заснованих на врахуванні окремих ознак, що випливають із розглянутих механічних і енергетичних моделей, свідчать про те, що нормативні способи не володіють необхідною достовірністю. При цьому основним стримуючим фактором підвищення їхньої надійності є недосконалість існуючих геомеханічних моделей, які визначають умови втрати стійкості газонасиченим вугільним масивом та механізм його руйнування. Подальший розвиток діагностики викидонебезпечних вугільних пластів і ГДЯ, що відбулися, потребує удосконалення фізичної моделі на основі фундаментальних законів статистичної фізики та фізики полімерів.

У другому розділі “Методика вимірювання і техніка для експериментальних досліджень” для вирішення поставлених задач визначення кількості метану в системі відкритих і закритих пор та сорбційної метаноємності проведене дослідження механізму руйнування газонасиченого вугілля та ступеню порушення його структури при високошвидкісному розвантаженні і в результаті ГДЯ розроблені методики вимірів, заснованих на застосуванні ядерно-магнітної резонансної спектроскопії (ЯМР), фізичного моделювання та теорії масопереносу для поруватих тіл. В методиці вимірювання складу метану в поровій системі вугілля використане розкладення на лоренцову і гауссову лінії вузької складової загального спектру ЯМР газонасиченого вугілля, що вперше, порівняно з іншими сорбційними методами, забезпечило можливість визначення кількості метану у відкритих і закритих порах.

В методиці фізичного моделювання для дослідження механізму руйнування із урахуванням флюідонасиченості та швидкості розвантаження мінімального стискуючого напруження за параметрами фільтрації газу, порівняно з використанням методу для циліндричних зразків, визначені схеми герметизації кубічного зразка, послідовність вимірювань за трьома взаємноперпендикулярними напрямками, час вимірювань та тиск газу, що забезпечують режим фільтрації.

В методиці оцінки ступеня пошкодженості поруватої структури вугілля в результаті ГДЯ за параметрами дифузії та енергії активації виходу метану із вугілля, у доповненні до існуючих методик, вперше оптимізовані розміри фракцій, що забезпечують максимальну швидкість сорбції і мінімальну швидкість десорбції метану, а також температурний режим обробки газонасичених вугільних проб.

Крім цього, були використані стандартні методики: експериментального визначення сорбційної метаноємності і об’єму пор вугілля з використанням метану під тиском, визначення радіуса циліндричної порожнини в призматичному зразку для моделювання розвантаження його грані, визначення ступеня руйнування вугілля. Усі приведені методики використовувалися автором для виконання досліджень та оцінки їхніх результатів.

У третьому розділі “Теоретичні дослідження процесу виходу метану з вугілля із урахуванням хвилі розвантаження при зміні напруження в системі “вугілля-газ” наведені результати теоретичних досліджень з розробки фізичної моделі, що визначає умови та механізм розвитку ГДЯ. Базовою основою моделі прийнята макромолекула вугілля у вигляді полімерної системи з просторовим розташуванням атомів і атомних груп, що включають полімерні молекули вугілля (N0), кожна з яких містить по r ланок та мономірні молекули газу (Nr), навантажені внутрішнім (Р0) і зовнішнім тиском (Р).

Відповідно до загальної термодинамічної теорії стан метану, поглиненого у вугіллі, може бути описано на основі вільної енергії системи, “вугілля-газ”, представленої у вигляді функціоналу від розподілу щільності = (r). Під щільністю (r) прийнято розуміти відношення долі станів, заповнених молекулами метану в даній області простору Nr = Nr(r), до повного числа стану N0, яке потенційно може бути ними заповнене:

(1)

Вільна енергія системи складається з внутрішньої енергії системи E та ентропійного внеску Sconf, визначеного числом конфігурацій:

(2)

де Т - температура системи; - параметр Флорі – Хаггінса, фіксує співвідношення між особисто енергетичним і ентропійним внесками в повну вільну енергію системи; k - постійна Больцмана, а величина r відповідає числу еквівалентних станів, які можуть бути заповнені кожною молекулою в кожному з локальних положень, і в результаті, визначають співвідношення між енергіями вільного і заповненого станів.

Величина параметру визначається взаємодією метану і вугільної речовини. Інтенсивність взаємодії зростає при зменшенні тиску Р в системі “вугілля-газ”. Біля довільного тиску P0, який у загальному випадку реалізується у вугільному пласті, залежність (P) може бути представлена у вигляді розкладу:

(3)

Величина параметру стосовно до даної фізичної моделі має феноменологічний сенс, тобто у вугільному масиві, не розвантаженому від гірничого тиску (Р=Р0), перехід метану із сорбованого стану у вільний не відбувається.

Рівноважні значення концентрації визначаються положенням мінімумів вільної енергії

(4)

Із співвідношення (4) безпосередньо видно, що як рівноважна концентрація , так і саме існування одного, або двох різних мінімумів енергії суттєво залежать від величини параметра . На рис. 1 показано декілька типових реалізацій енергії F(), розрахованих при різних значеннях параметра .

Рис.1. Змінювання вільної енергії F() при різних значеннях співвідношення тиску P/P0:

а – 1; б – 0,9; в – 0,88; г – 0,8

Насиченому газом стану відповідає мінімум енергії, розташований при значенні концентрації = 0, близькому до одиниці, що відповідає глобально нестійкому (метастабільному) мінімуму енергії.

Проте при досить високому тискові Р цей стан окремо від стійкого глобального мінімуму ( << 1), розділяється високим потенціальним бар’єром. В результаті система “вугілля – газ” при = 0 залишається стійкою практично необмежений час.

При зниженні бар’єра метастабільний мінімум все ще зберігається в деякому інтервалі тисків. Проте при цьому суттєво інтенсифікуються процеси газовиділення, в результаті яких система поступово залишає цей мінімум навколо 0 і переходить в стан з << 1.

Цей процес описується із використанням змінної (як у просторі, так і в часі) (r,t). Еволюція (r,t) при змінній сумарній кількості газу в системі задається рівнянням Ландау – Халатнікова:

(5)

яке з урахуванням конкретної форми функціонала вільної енергії набуває вигляду:

, (6)

де - релаксаційна постійна, яка визначає характерний масштаб часу процесу; Dеф – ефективний коефіцієнт дифузії.

Наведена закономірність показує, що кінетика вільної енергії системи “вугілля – газ” в умовах відсутності впливу гірничих робіт визначається процесом твердотільної дифузії, а у випадку її розробки пріоритетним є процес фільтрації. Оскільки основним колектором метану у вугіллі є закриті пори та існує цілий ряд методик їхнього визначення, проте до цього часу факт існування закритих пор залишається дискусійним.

З феноменологічної точки зору пористість в рамках процесу, яка представлена рівнянням (6), можна описати за допомогою неоднорідно розподіленого коефіцієнта дифузії D = D(r,t), зберігаючи лише найбільш загальні характеристики середовища. Такі, як середня за системою пористість 0 = (r,t)dV/V, характерний розмір пор (тобто середній розмір <R> областей, в яких коефіцієнт дифузії помітно відрізняється від нуля [G(r,t)>0]r<R) і відносна дисперсія їхніх розмірів <>, яка визначає розподіл пор за радіусами, де V – моделюючий об’єм вугілля, r – розмір пор.

Шукані вимоги можуть бути задовільними за допомогою випадково розподіленого середовища з кореляційною функцією

(7)

гауссового типу:

(8)

Такий вигляд функції практично повністю відповідає диференційній кривій розподілу пор у вугіллі середньої стадії метаморфізму і в рамках кінетичного процесу фазової сепарації (сегрегації) для середовища фіксованої сумарною поруватості, описується рівнянням:

(9)

Рішення кінетичного рівняння виконувалося методом численного моделювання рівнянь в частинних похідних залежно від часу в 1-му і 2-му просторових вимірах.

На рис. 2 представлений один із станів розподілу модельної щільності системи (відкриття та закриття пори), отриманого в результаті рішення рівняння (9).

Послідовність рис. 2, а – г ілюструє зміну спостережуваного розподілу щільності системи із зміною масштабу. Області, заповнені переважно закритою поруватістю, показані темними відтінками, області, заповнені відкритою поруватістю, – світлими, відповідно. На вставці зверху приведена просторова кореляційна функція, обчислена для того ж конкретного розподілу щільності (r), що і на рис. а – г. Масштаб рисунків наведений в ангстремах.

Рис. 2. Розподіл модельної щільності системи (r)

Отриманий геометричний розподіл щільності в системі “вугілля-газ” показує, що при її формуванні приорітетними є закриті пори.

Участь вільної енергії системи “вугілля-газ” в ГДЯ визначається рівнем і швидкістю зниження потенційного бар’єра, що розділяє стійкий стан при =1 від нестійкого при 1. Це, як правило, відбувається при рухові хвилі розвантаження, який формується при руйнуванні частини вугільного масиву. Як розрахункову схему прийнято, що вугільний масив контактує вздовж плоскої межі із вільним напівпростором x<0 при наступній граничній умові:

(10)

В момент часу t=0 невеликий об’єм вугілля вилучається з малої сферичної порожнини деякого радіуса ro, що викликає зміщення вугілля, направлене всередину утвореної порожнини, супроводжуване скиданням тиску, що зароджує хвилю розвантаження, поширювану всередину напівпростору x>0.

Рівняння руху такої хвилі, яка пов’язує швидкість хвилі розвантаження v, в’язкість вугілля, пропорційну модулю зсуву і тиску на фронті хвилі Р, має вигляд, досить простий для численного інтегрування:

, (11)

Де d – розмірність простору, яка в практичних розрахунках може змінюватися від 1 до 3.

Оскільки рівняння (11) записане для швидкості v як незалежна змінна, тоді початковe умовe треба вибрати у вигляді локалізованого всплеску v, направленого в бік центру руйнування (і від’ємних координат x безпосередньо на відкритій межі):

(12)

Чисельне інтегрування рівняння (11) було виконане при d=3 і вищеперерахованих граничних і початкових умовах.

Його результати представлені на рис.3. Оскільки практична зацікавленість представляє розпреділення швидкості v(r,t) і тиску p(r,t) у хвилі, а зобразити їх безпосередньо у тривимірному випадку складно, тому, з урахуванням симетрії, відповідні поверхні показані на рисунку у вигляді двовимірного перерізу над площиною (x,y).

Дві конфігурації, наведені на рис. 3, показані для двох характерних моментів часу: в початковий період розвитку хвилі, практично зразу після її виникнення (t=0,1), і з плином деякого часу (t=30), за який хвиля приймає свою розвинену форму, а викликані скиданням тиски напруження наближаються до межі міцності вугілля.

Рис. 3. Дві типові конфігурації хвилі розвантаження, показані для двох моментів часу

Оскільки система “вугілля – газ” відкрита в бік напівпростору х0, то аж до досягнення її межі міцності на розтягнення буде відбуватися руйнування вугілля. На рис. 4 показані встановлені залежності глибини руйнування модельованого вугільного пласта при різній швидкості хвилі розвантаження та в’язкості вугілля (). Аналіз отриманих результатів показує, що швидкість розвантаження і фізико-механічні властивості системи “вугілля – газ” при інших рівних умовах являються визначальними.

Рис. 4. Залежність глибини руйнування вугільного пласта від швидкості хвилі розвантаження (1) і в’язкості вугілля (2)

Оскільки, як вже зазначалось вище, умови десорбції метану із вугілля залежать від зовнішніх параметрів (від тиску), істотно чекати їхнього змінення при проходженні хвилі розвантаження з використанням залежності (3) була відновлена форма потенціалу вільної енергії при різних значеннях тиску і залежність її від радіусу R в кожний момент часу t при рухові фронту хвилі в глибину пласта. В результаті числового рішення вперше було встановлено, що із розширенням хвилі розвантаження на деякій фіксованій відстані від її центру зникає бар’єр, який відділяє метастабільний стан з високою концентрацією метану від стійкого стану з малою концентрацією метану Фактично отриманий результат свідчить, що високошвидкісне зниження зовнішнього тиску в системі “вугілля-газ” забезпечує втрату її стійкості та сприяє розвиткові ГДЯ.

Фізичним наслідком зміни форми потенціалу вільної енергії (зниження потенційного бар’єра) при проходженні хвилі розвантаження крім втрати стійкості системою “вугілля-газ” є збільшення частки її відкритої поруватості за рахунок перетворення частини закритих пор у тріщини. Це пов’язано з тим, що високошвидкісне зниження тиску на фронті хвилі розвантаження викликає напруження розтягнення в порах вугілля. Критичний розмір пор, вище якого розвивається їхня нестійкість, визначається при даному зміненні тиску P=(1-Р/Р0) умовою:

, (13)

де L0 – деяка постійна розмірності довжини пори.

При цьому одночасно відбуваються два протилежно спрямованих процеси. З одного боку. число тріщин зростає, а з другого – середня відстань між ними, відповідно, спадає. Це сприяє зв’язуванню ними пор в єдиний кластер. Проте, оскільки в тріщини в першу чергу, перетворюються найбільш крупні пори, середній розмір залишених пор знижується, і зменшується вірогідність їхнього взаємного перетинання з тріщинами, а тому й утворення искомого кластера.

Звідси кількість тріщин, які утворюються при розкритті пор залежно від тиску, описується таким чином:

(14)

де пор(r,t)drG(r,t)/r – функція розподілу пор за розмірами (диференційна поруватість вугілля).

Встановлено, що щільність тріщинуватості скорочується із зростанням напружень P. В свою чергу, середній радіус пор <rпор(t)> = rпор(r,t)dr зменшується за мірою перетворення найбільш крупних з них у тріщини.

Вихід метану із закритих пор можливий лише тоді, коли відстань між тріщинами буде меншою від характерного масштабу пір: Lтр(P,t)< <rпор(P,t)> (рис.5).

Рис. 5. Визначення середньої відстані між тріщинами як функції тиску

Оскільки окрім тиску Lтр(P,t) визначається також величиною L0, то для Lтр(P,t) маємо сімейство кривих, які перетинаються з лінією лише при достатньо малих L0 в точці P = Pcr.

Як видно з огляду результатів, поширення хвилі сприяє розкриванню поруватості і виходу метану. Цей ефект може бути знижений лише при незначному об’ємі закритих пор у вихідній системі. При фіксованому розподілі щільності пор(r,t) це може бути досягнуто лише залученням додаткових (зовнішніх по відношенню до системи) факторів.

Враховуючи те, що тривалість процесу викиду вугілля та газу складає 10-30 с, фактичний час виходу метану із закритих пор у тріщини повинен бути, як мінімум, на порядок меншим. Для оцінки часу заповнення тріщин у вугіллі метаном, який виходить із закритих пор при втраті їхньої стійкості в результаті руху хвилі розвантаження, була розроблена фізична модель, яка враховує виділення метану з поруватої вугільної речовини з об’ємом закритих пор з. Розподіл метану у вугіллі описується концентрацією С(х, t), а переміщення метану в ньому відбувається шляхом дифузії з коефіцієнтом D1. Розподіл молекул метану в об’ємі тріщин обмеженої ширини характеризується щільністю (х, t) та коефіцієнтом дифузії D2.

Потік часток з поруватого твердого тіла через межу записується:

(15)

де с0 – концентрація молекул метану у вугіллі на великій відстані від межі; t – час виходу метану із закритих пор у тріщини.

Потік часток через межу разділення в повітряний простір записується аналогічно.

припускаючи, що метан, який виділяється із закритих пор вугілля, повністю переходить в об’єм тріщини, і того що

,

де v –розчинність метану у вугіллі; p – щільність метану в газовій фазі.

При умові миттєвого вирівнювання хімічних потенціалів з двох сторін межі поділу, отримаємо наступні співвідношення між концентрацією газових молекул на межі газ - тверде тіло і середньою концентрацією газу в цей же час, яке після перетворення має вигляд:

, (16)

де , - поруватість вугілля.

З рівняння матеріального балансу, відповідно до закону збереження повного числа часток у системі, кінцевий вигляд інтегрального рівняння, що являє собою середню концентрацію газу в тріщині від часу, одержимо у вигляді:

. (17)

Дане інтегральне рівняння дає змогу отримати в явному вигляді залежність середньої концентрації газу від часу на різних етапах процесу газовиділення.

Кінцева формула для визначення часу заповнення тріщин метаном, який виходить із закритих пор, має вигляд:

, (18)

де Q – сорбційна метаноємність вугілля.

За отриманою формулою були проведені оцінювальні розрахунки часу виходу метану із закритих пор в тріщини при L=(1-3)10-6 см, =0,3, 0,1, Dеф=10-8-10-14 см2/с.

Аналіз результатів показує, що при середній метаноємкості вугілля 30 м3/т час виходу метану з поруватої структури вугілля при D10-8 см2/с в систему тріщин при їхньому розкритті рухомою хвилею розвантаження складає 0,01 – 0,1 с і його цілком достатньо для участі всього сорбованого метану в ГДЯ.

В четвертому розділі “Дослідження стану і кількості метану в поруватій структурі вугілля” представлені експериментальні результати по визначенню потенційної метаноємності і фазового стану метану у викопному вугіллі. Для дослідження використовувався метод ядерного магнітного резонансу, який дозволяє розраховувати кількість протонів водню у вугіллі за похідною спектрів поглинання, що включають компоненти гауссового і лоренцевого типу з Н = 6 та Н = 0,5 – 1,0 Е, відповідальних за водень в органіці вугілля і водню флюідів в поруватому об’ємі. Оцінка ступеня і кількості метану здійснювалася по вузькій лінії спектра ЯМР – 1Н з урахуванням розкладення на складові з Нл = 0,1 – 0,2 Е і Нг = 0,6 – 1,0 Е (рис. 6), враховуючих метан в тріщинах і відкритих порах та сорбований в системі закритих пор і твердому розчині.

Рис. 6. Розкладання на складові вузької лінії загального спектра ЯМР 1Н системи вугілля-метан

При достатній амплітуді (I) цих компонент вони надійно розділяються при записуванні і математичній обробці отриманих спектрів.

Визначення метаноємності і фазового стану метана у викопному вугіллі здійснювалося на вугільних пробах величиною 0,4 – 0,5 мм та масою 1,0 – 1,5 г, висушених до повного зникнення вузької компоненти спектра, вакуумованих і насичених метаном під тиском ~ 15 МПа протягом 240 – 360 годин. По закінченні насичення зразки одночасно досліджувалися на установці ЯМР і гравіметричним методом для контролю втрати маси при десорбції.

На автодинному спектрометрі попарно записувалися спектри широкої та вузької компонент повного спектра в оптимальних умовах для кожної з ліній. Отримана послідовність спектрів математично оброблялися і визначалися параметри відповідних ліній поглинання ЯМР – 1Н, необхідних для розрахунку.

Кількість сорбованого метану з урахуванням фазового стану визначається за формулою:

де mi – маса метану у фазі; k – нормувальний коефіцієнт; mc i – маса сухого зразка; Sвi – площа складових вузької лінії спектрів ЯМР – 1Н, Sш i – площа під широкою лінією спектру.

На рис. 7 наведені результати розрахунку кількості і фазового стану метану у вугільному зразку пласта h6’ Смоляніновський гор. 1312 м. Тут же для порівняння показано змінення маси газонасиченого зразка, визначеного ваговим методом.

рис. 7. Змінення маси метану, вміщеного у зразку в різних фазах при десорбції:

1 – маса метану в тріщинах і відкритих порах (фаза 1);

2 – маса метану в закритих порах і твердому розчині (фаза 2);

3 – загальна маса метану;

4 – маса метану, визначена ваговим способом

Аналіз результатів показав, що метаномісткість вугілля пласта h6’ Смоляніновський у перерахунку на об’ємну вагу метану знаходиться в межах 30,7 – 31,7 м3/т (особиста метаномісткість пласта h6’ за даними гірничо-геологічного прогнозу складає 25 – 30 м3/т), при цьому 20 – 25% його знаходиться в тріщинах і відкритих порах, а інша частина – в закритих порах і твердому розчині. Підтвердженням обґрунтованості методу є досить близька кореляція розрахункових та експериментальних даних.

На основі проведених досліджень розроблений та апробований експериментальний метод визначення фазового стану та кількості метану у вугіллі, який дозволив встановити, що в особливо викидонебезпечних пластах понад 70% метану може знаходитися в системі закритих пор.

В п’ятому розділі “Експериментальні дослідження впливу сорбованого метану на механізм деформування вугілля в умовах об’ємного навантаження і розвантаження” представлені результати досліджень впливу на фізико-механічні властивості, тріщинувато-порувату структуру і механізм руйнування вугілля в формі викиду, рівня напруженого стану, газонасиченості, швидкості розвантаження та на їхні основі закономірності, які визначають критерій викидонебезпечності вугільних пластів.

З фізичної моделі, обґрунтованої і наведеної у другій главі, випливає, що основною умовою втрати стійкості модельованого газонасиченого вугільного масиву є високошвидкісне розвантаження у вигляді додатку розтягуючих деформацій з боку поверхні вибою. Фактично, стосовно до реальних вугільних пластів це пов’язано з процесом деформування і руйнування вугілля різного ступеня газонасиченості, що знаходиться в умовах об’ємного нерівнокомпонентного навантаження, облік яких дає можливість обгрунтовувати структуру та кількісні значення критерію руйнування газонасиченого вугілля в формі викиду.

Для реалізації наступної задачі використовувався метод фізичного моделювання із застосуванням установки тривісного навантаження, який дозволяв створювати на зразках кубічної форми з розміром ребра грані 5,0 – 6,0 см в трьох взаємно перпендикулярних напрямках напружений стан аналогічний натурному. Оцінка процесів деформування та руйнування здійснювались на дегазованому і газонасиченому вугіллі (Qг = 15 – 30,0 м3/т) пластів h6’ - “Смоляніновський” і h8 – “Просковієвський”.

За параметри переміни механічного стану фізичної системи “вугілля – газ” в призабійній зоні приймаються три головних напруження 1, 2, 3 (з яких 1 – максимальне стискуюче напруження, діюче по нормалі до пласта, 2 – проміжне головне напруження, діюче вздовж лінії вибою, 3 – мінімальне стискуюче напруження, діюче по нормалі до площини пласта) і три головних деформації 1, 2, 3, діючі за тими ж напрямками. Їх доповнюють пружні константи (К, Q), параметри Лоде - Надаї (, ), характеризуючі